Tier- und Humanphysiologie: Eine Einführung (Springer-Lehrbuch)

Springer-Lehrbuch

Werner Mçller ´ Stephan Frings

Tier- und Humanphysiologie Eine Einfçhrung 3., çberarbeitete und aktualisierte Auflage

Mit 358 meist zweifarbigen Abbildungen und 14 Tabellen

12

Professor Dr. Werner Mçller Professor Dr. Stephan Frings Universitåt Heidelberg Institut fçr Zoologie Im Neuenheimer Feld 230 69120 Heidelberg [email protected] [email protected]

ISBN 10 3-540-32728-2 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 13 978-3-540-32728-8 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 3-540-01215-X 2. Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2003 ISBN 3-540-63313-8 1. Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1998 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet çber abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschçtzt. Die dadurch begrçndeten Rechte, insbesondere die der Ûbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfåltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfåltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulåssig. Sie ist grundsåtzlich vergçtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de ° Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wåren und daher von jedermann benutzt werden dçrften. Produkthaftung: Fçr Angaben çber Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewåhr çbernommen werden. Derartige Angaben mçssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit çberprçft werden. Planung: Dr. Dieter Czeschlik, Heidelberg Redaktion: Stefanie Wolf, Heidelberg Herstellung: LE-TEX Jelonek, Schmidt & Væckler GbR, Leipzig Umschlaggestaltung: deblick, Berlin Umschlagabbildung: Delphin und Scuba-Taucher, Ian Cartwright, gettyimages Satz: K + V Fotosatz GmbH, Beerfelden SPIN 11427780

29/3100/LeTex YL ± 5 4 3 2 1 0 ± Gedruckt auf såurefreiem Papier

Vorwort zur 3. Auflage

Molekularbiologische und biophysikalische Methoden haben mit Macht in die Physiologie Eingang gefunden. Erinnert sei an die Nobelpreise fçr Arbeiten zur Signalçbertragung im Nervensystem (Preis fçr Medizin/Physiologie 2000 an Eric R. Kandel, Paul Greengard und Arvid Carlsson), fçr die Entdeckung und Strukturaufklårung von Ionen- und Wasserkanålen (Preis fçr Chemie 2003 an Roderick MacKinnon und Peter Agre) und fçr die molekulargenetische Entdeckung der Serpentinrezeptoren einschlieûlich der tausend Geruchssensoren (Preis fçr Medizin/Physiologie 2004 an Richard Axel und Linda Buck). Wir haben bei der Ûberarbeitung dieses Buches jedoch nicht nur spektakulåre Neuentdeckungen berçcksichtigt, sondern waren bemçht, alle Kapitel auf einen zeitgemåûen Stand zu bringen. Dennoch haben wir das ursprçngliche Anliegen dieses Buches nicht aus den Augen verloren: Es richtet sich an Studenten sowohl der Bachelor-/Master-Studiengånge wie an Studenten fçr das Lehramt, und versucht, fçr sie Grundwissen in lesbarer und verståndlicher Weise darzustellen. Zur Erleichterung der Vorbereitung auf Prçfungen aller Art schlieût nun jedes Kapitel mit einer Zusammenfassung ± was leider zwangslåufig die Seitenzahl erhæht hat. Wir haben uns trotzdem die Freiheit genommen, bisweilen auch auf Dinge einzugehen, die andere Lehrbçcher auszuklammern pflegen, aber doch Studenten wie Lehrer bewegen oder interessieren, so in der Box K23.2 ¹Geist und Seele ± nichts als Chemie und Physik?ª Ein ganz anderes Beispiel: Dem Teilnehmer an einer meeresbiologischen Exkursion wird erklårt, wie Gezeiten entstehen, und es wird diskutiert, ob es Mondrhythmen nicht nur bei Wattbewohnern, sondern auch bei Frauen gebe. Dieses Buch kann nicht nur mit viel Gewinn, sondern bisweilen auch mit Vergnçgen gelesen werden. Heidelberg im Frçhjahr 2006

Prof. Dr. Werner Mçller Prof. Dr. Stephan Frings

Inhaltsverzeichnis

1

Energie und Leben

1.1 1.2 1.3

Energie, von der Sonne gespendet, speist alles Leben . . . . . . Stoffrecycling und Energieflçsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energienutzung in lebenden Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 4 5

Box K 1.1 Energetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.4

Entropie und Leben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

Box K 1.2 Entropie und Verteilungswahrscheinlichkeit von unabhångigen Teilchen in einem geschlossenen Raum .

14

1.5 1.6

Die ¹freie Energie Gª . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lebewesen als offene Systeme und mit der Fåhigkeit zur Selbstorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Wirkungsgrade und ihre ækonomischen und ækologischen Konsequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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15

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17

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22 26

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27 33 37

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40 41 49

3.1 Molekulare Motoren und intrazellulårer Transport . . . . . . . . 3.2 Passage und Transport von Substanzen durch Membranen . Zusammenfassung des Kapitels 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51 57 66

2

Energieumsetzung und Energiehaushalt

2.1

Grundlegende Prozesse des zentralen Energiestoffwechsels der Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Start im Cytosol: die Glykolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Citratcyclus, Atmungskette und ATP-Groûproduktion . . . . 2.4 Die verschiedenen Energiespeicher und ihr besonderer Nutzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Energieumsåtze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

VIII Inhaltsverzeichnis 4

Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

4.1 4.2 4.3

Was die Nahrung enthalten sollte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wozu Vitamine notwendig sind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tierische kontra pflanzliche Kost: Was ist Wissenschaft, was auûerwissenschaftliche Einstellung? . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Die Kærpergrundarchitektur eines Lebewesens spiegelt seine Strategie wider, sich die lebensnotwendige Nahrung zu beschaffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Das Einschleusen und der Transport der Nahrung . . . . . . . 4.6 Der Verdauungstrakt als Flieûbandstraûe mit funktioneller Gliederung: ein kurzer Ûberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Die Salzsåure des Magens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Schutz vor Selbstverdau, Regelung der Verdauungsprozesse und Arbeitsablåufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Enzyme und sonstige Hilfsmittel zur Erschlieûung der Nahrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Resorption und Abtransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 Regelung der Nahrungsaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

67 69 76 79 79 83 85 86 88 95 99 101

Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

5.1

Die Leber als Versorgungs-, Handels- und Entsorgungszentrale des Kærpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Erste Hauptfunktion der Leber ist die Bereitstellung des Blutzuckers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Blutfette und andere Lipide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Regelung der Abgabe und Aufnahme von Blutzucker und Blutfetten çber die Hormone Insulin und Glucagon . . . 5.5 Blutproteine und Hormone als Produkte der Leber . . . . . . . 5.6 Cholesterin, seine Abkæmmlinge und der enterohepatische Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7 Exkretorische und Entgiftungsfunktionen der Leber . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103 105 106 110 114 114 117 120

6

Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

6.1 6.2 6.3

Stickstoffentsorgung und extrarenale Exkretion . . . . . . . . . Die expliziten Exkretionsorgane der Lehrbçcher . . . . . . . . . Die Niere des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Box K6

Physikalisches und Medizintechnisches zum Thema Niere . . 138

6.4 Die Regelung der Nierenfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

123 129 130

152 156

Inhaltsverzeichnis

7

Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

7.1 7.2

Entsorgung gealteter Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Angeborene Abwehrsysteme auf der Basis eines in der Evolution erworbenen Wissens . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Das lernfåhige Immunsystem der Vertebraten . . . . . . . . 7.4 Das Generieren von Vielfalt bei der Erzeugung der antigenerkennenden Rezeptoren und der Antikærper 7.5 Funktionen der Antikærper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 T-Zellen, MHC und Antigenpråsentation . . . . . . . . . . . . 7.7 Verstårkereffekte und langanhaltende Immunitåt . . . . . . 7.8 Lernen von ¹Selbst oder Fremdª und Immuntoleranz . . 7.9 Entzçndungen, Allergien und hemmender Einfluss von Stresshormonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10 Aus der Praxis des Labors: monoklonale Antikærper und Immunfluoreszenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11 Vielfalt und Evolution der Abwehrsysteme im Tierreich . Zusammenfassung des Kapitels 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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159

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159 164

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166 170 171 180 180

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184

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185 186 189

8

Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane nebst einer Tauch- und Bergexkursion

8.1 8.2

Was ¹Atmungª meinen kann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusion und Konvektion der Atemgase . . . . . . . . . . . . . . .

191 191

Box K 8.1 Zur Physik der Atemgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

192

8.3 8.4

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198

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203 205 209 214 216

9

Der Kreislauf

9.1

Verteilerflçssigkeiten vermitteln zwischen Auûenwelt und Innenwelt und dienen als Spediteure im Kærper . . . . . .

219

Box K 9

Ein wenig Stræmungsphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

220

9.2

Einkreissystem der Fische versus Zweikreissystem der Såuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Im Zentrum steht das Herz . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Steuerung der Blutstræme . . . . . . . . . . . . . . . ¹Blutdruckª und der weite Weg durch den Kærper

221 223 225 227

Håmoglobin, Myoglobin und andere Sauerstoffspeicher Funktion der Erythrocyten bei der Beseitigung des Kohlendioxids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Atemorgane und ihre Ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Atem- und sonstige Probleme beim Tauchen . . . . . . . . 8.7 Atemnæte und Hæhenkrankheit im Gebirge . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.3 9.4 9.5

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IX

X

Inhaltsverzeichnis

9.6 9.7

Blutgerinnung ± oder wie man Blutgefåûe abdichtet . . . . . . Wasserkreislauf zwischen Blutkapillaren und Gewebe und das Lymphdrainagesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

231 233 234

Das vegetative Nervensystem

10.1

Regelkreis-Automaten und ihre Kontrolle durch das autonome, vegetative Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Das autonome, vegetative Nervensystem als Regel- und Steuerzentrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Regelkreise fçr Atmung, Kreislauf, Blutdruck . . . . . . . . . . . 10.4 Neurovegetative Steuerung: Sympathicus und Parasympathicus sorgen fçr sinnvolle Gesamtreaktionen . . 10.5 Thermoregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

237 242 247 249 254 260

Hormonale Steuerung

11.1

Hormonale versus neuronale Signalçbermittlung ± Eigentçmlichkeiten, Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Koppelung von Zentralnervensystem und Hormonsystem . . 11.3 Das Hormonsystem des Menschen I: Das HypothalamusHypophysensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Das Hormonsystem des Menschen II: Periphere Hormonquellen (ohne Gonaden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Das Hormonsystem des Menschen III: Die Steuerung der Sexualentwicklung, des Menstruationszyklus' und der Schwangerschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Hormonsystem der Metamorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Genregulatorische und andere Funktionen der Steroidhormone und von Thyroxin . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

263 269 270 278 287 295 300 303

Signaltransduktion und Signalpropagation

12.1

Signaltransduktion: Die Umcodierung einer externen Botschaft in zellinterne Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Wichtige Transduktionssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Signalpropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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308 309 316 319

13

Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

13.1 13.2

Circadiane Rhythmik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die molekulare Grundkonstruktion der circadianen Uhr . .

321 324

Inhaltsverzeichnis

13.3 Zentraluhren . . . . . . . . . . 13.4 Schlafen und Wachen . . . . 13.5 Stoppuhren und Taktgeber Zusammenfassung des Kapitels 13 . . .

. . . .

328 333 334 335

14

Bioelektrische Signale

14.1

Wie eine elektrische Membranspannung entsteht . . . . . . . . .

337

Box K 14.1 Ein Minimum an Elektrophysik und Elektrotechnik aus der Sicht des Physiologen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

338

Box K 14.2 Gibbs-Donnan-Gleichgewicht und Nernst-Gleichung . . . . . .

349

14.2 Ionenkanåle zur Verånderung einer Membranspannung . . . . 14.3 Fernleitung von Information çber Aktionspotentiale . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

351 356 364

15

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Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

15.1 15.2

Gap junctions als elektrische Synapsen . . . . . . . . . . Chemische Synapsen: Informationsçbertragung mittels Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3 Konkrete Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4 Auffangen des Transmitters an der postsynaptischen Membran und Reaktion der Empfångerzelle . . . . . . . 15.5 Die Synapse als Ort der Datenverarbeitung und der Integration verschiedener Stimuli . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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365

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366 369

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371

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374 380

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381 390 392 396

Box K 16.1 Wie man fliegt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

400

16.5

Das Herz: sein Schrittmacher und sein EKG . . . . . . . . . . . .

405

Box K 16.2 Das EKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

407

16.6 Die elektrischen Organe der elektrischen Fische . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

409 411

16

Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

16.1 16.2 16.3 16.4

Die Arbeitsweise einer Muskelfaser . . . . . . . . . Der Muskel als Organ: Kooperative Leistungen Steuerung der Motorik çber Dehnungssensoren Funktionelle Spezialisierung und Energiequelle

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XI

XII

Inhaltsverzeichnis

17

Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

17.1 17.2 17.3

Von der Physik bis zur Psyche: Reiz, Erregung, Wahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prinzipien der Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Psychophysische Korrelate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Box K 17

Die Anfånge der Psychophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

413 418 424

17.4

Die Somatosensorik: die durch Mechano-, Thermo- und Nozirezeptoren der Haut vermittelte Sensibilitåt unseres Kærpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 17.5 Mentale Perzeption: konstruierte Welt und Erfahrung unseres eigenen Kærpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 Zusammenfassung des Kapitels 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 18

Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

18.1 18.2

Vielfalt der mechanischen Sinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Sinne zur Kontrolle des Kærpers und zur Detektion von Objekten in Dunkelheit und Stille . . . . . . . 18.3 Vielfalt mechanosensorischer Messgeråte am Beispiel der Sensillen der Insekten und anderer wirbelloser Tiere . 18.4 Schwerkraftmesser und Gleichgewichtssinn . . . . . . . . . . . 18.5 Die erstaunliche Nesselzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.6 ¹Haarª-Sinneszellen und Neuromasten der Wirbeltiere . . . 18.7 Das Labyrinth des Innenohrs: Dreh- und Schwerkraftund Gleichgewichtssinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.8 Einfluss der Dreh- und Gleichgewichtssinne auf das Sehen Zusammenfassung des Kapitels 18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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431

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432

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433 436 439 440

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444 448 451

19

Das Gehær

Box K 19

Zur Physik und Biophysik von Schall, Ton und Hæren . . . . . 453

19.1

Unser Gehær: seine Bedeutung und unglaubliche Empfindlichkeit . . . . . . . . . . . 19.2 Schwierige Untersuchungen, Modelle . . . . . . . . 19.3 Die Ûbertragung des Schalls ins Innenohr . . . . 19.4 Tonhæhen-Unterscheidung (Frequenzanalyse) . . 19.5 Zur Perzeption: Tonotopie und Lokalisation einer 19.6 Hæren und Ultraschallortung bei Tieren . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

......... ......... ......... ......... Schallquelle ......... .........

459 460 461 467 473 475 481

Inhaltsverzeichnis

20

Chemische Sinne

20.1 20.2 20.3 20.4 20.5

Bedeutung und erste Ûbersicht . . . . . . . . . Der Geruchssinn des Riechepithels . . . . . . Das Vomeronasale Organ (Jacobson-Organ) Der Geschmackssinn . . . . . . . . . . . . . . . . . Geruchs- und Geschmackssinn bei Tieren .

. . . . .

485 487 491 493 498

Box K 20

Geschmack gefunden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

499

Zusammenfassung des Kapitels 20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

503

21

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Wahrnehmung elektrischer und magnetischer Felder; Infrarotortung

21.1 Elektrorezeption . . . . . . . . . . . . 21.2 Orientierung im Magnetfeld der 21.3 Infrarotortung . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 21 . . . . . . .

. . . .

505 508 511 513

Box K 22.1 Zur Physik des Lichtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

515

22.1 22.2 22.3

Der Primårvorgang: vom Licht bis zum Rezeptorpotential . . Abbildung: Vorbedingung fçr Muster- und Bewegungssehen Farbensehen und erste Verarbeitung optischer Information in der Retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

517 522

Box K 22.2 Zur Psychophysik der Farben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

531

22.4 22.5

Datenverarbeitung in der Retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Welt mit anderen Augen sehen: das Insektenauge . . . . .

540 543

Box K 22.3 Polarisiertes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

547

Zusammenfassung des Kapitels 22 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

551

22

..... Erde ..... .....

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Der Sehsinn

530

23

Zu Funktionen des Gehirns: die Sehwelt

23.1

Vom Auge zur gesehenen Welt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

555

Box K 23.1 Untersuchungsmethoden der klassischen und neueren Neurobiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

558

23.2

Wahrnehmungspsychologie: von den Daten bis zum Bewusstsein . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

567

XIII

XIV

Inhaltsverzeichnis

Box K 23.2 Geist und Seele ± nichts als Chemie und Physik? . . . . . . . . . 571 Zusammenfassung des Kapitels 23 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

575

24

Lernen, Gedåchtnis, prågende Erfahrung

24.1 24.2

Gedåchtnisformen, Erinnerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lernen und weitere Einteilungsweisen von Gedåchtnis . . . .

Box K 24

Formen des Lernens aus der Sicht des Verhaltensforschers . 582

24.3 Mechanismen von Lernen und Gedåchtnisbildung . . . . . . . 24.4 Entwicklungsprågende Erfahrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

577 578

583 587 589

25

Verhalten: Kommunikation, Orientierung, Navigation

25.1 25.2 25.3 25.4 25.5

Selbsterzeugte Lichtsignale . . . . . . . . . . . . Chemische Signale: Pheromone . . . . . . . . . Im Staat der Bienen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Orientierung und Tanzsprache der Bienen Fernorientierung und Navigation . . . . . . .

Box K 25

Glossar der Verhaltensforschung zum Thema Orientierung . 605

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Zusammenfassung des Kapitels 25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

591 594 597 599 604

611

26

Biorhythmik II: Jahres-, Mond-, Gezeitenrhythmen

26.1 26.2

Jahresrhythmen (circannuale Periodik) . . . . . . . . . . . . . . . . Mond- und Gezeitenrhythmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Box K 26

Geophysikalisches zu Mond- und Gezeitenrhythmen, nebst einer Empfehlung fçr Exkursionen ins Watt . . . . . . . . 617

Zu den inneren, physiologischen Ursachen der Langzeitzyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung des Kapitels 26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

613 616

26.3

27

Úkophysiologie: Anpassungen an extreme und wechselnde Lebensråume

27.1 27.2 27.3 27.4 27.5

Leben und Ûberleben in der Kålte . . . . . . . . . . . . . . . Anpassung an extreme Hitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anpassungen an Sauerstoffarmut . . . . . . . . . . . . . . . . In der Tiefsee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechsel von Salzwasser zu Sçûwasser und umgekehrt

. . . . .

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623 624

625 632 634 637 638

Inhaltsverzeichnis

27.6

Wechsel von Land zu Wasser und umgekehrt: Beispiel Amphibien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27.7 Wechsel der Lebensweise: freier Vagabund oder sesshaft . . . Zusammenfassung des Kapitels 27 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

641 642 644

Anhang: Maûeinheiten und einige Standardwerte der Physiologie . . . .

647

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

653

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

657

XV

1

Energie und Leben

1.1 Energie, von der Sonne gespendet, speist alles Leben 1.1.1 Sonnenenergie wird von Pflanzen konzentriert und in Form chemischer Energie gespeichert; dabei erwirtschaften die Pflanzen einen Ûberschuss Wir konzipieren ein ideales, ækologisch vertrågliches Kraftwerk (Abb. 1.1): Es gehære dem Konzern ¹Grçne Pflanzeª und sei zweigeteilt. Ein erstes Teilkraftwerk, wir nennen es Chloroplast, bezieht Energie aus dem zwar strahlenden, doch fernen Kernfusionsreaktor Sonne, und fçhrt sie in transportfåhige und speicherbare Form çber. Dieses erste Teilkraftwerk verbraucht keinen materiellen Kraftstoff, es stellt vielmehr solchen Kraftstoff her. Das zweite Teilkraftwerk, es heiûe Mitochondrium, setzt aus dem biologisch synthetisierten Kraftstoff die gespeicherte Energie in arbeitsfåhiger Form wieder frei. Lebenserhaltend ist das erste Kraftwerk: Auf lange Sicht erhålt das erste Kraftwerk das Leben auf der Erde aufrecht: Flåchige Solarmodule der Chloroplasten, die mit Chlorophyll bestçckten Membranen der Thylakoide, sammeln Energie, die von der Sonne in Form elektromagnetischer Strahlung (Photonen) geliefert wird. Der in den Solarmodulen (Light-harvesting Complex) erzeugte Strom treibt einen Generator (Elektronentransportsystem in den Membranen der Chloroplasten) an. Mit dem vom Generator erzeugten Strom werden Akkus der Marken NADPH und ATP geladen und es wird eine Pumpe (Calvin-

Cyclus) betrieben. Die Pumpe saugt energiearme, niedermolekulare und leicht verfçgbare Materialien an: Wasser (H2O) çber die Wurzeln und Kohlendioxid (CO2) aus der Luft çber die Spaltæffnungen des Blattes. Diese Materialien werden hochgepumpt; d. h. sie werden in energiereiche Kohlenhydrate çberfçhrt. Kohlehydrate, insbesondere Stårke, bestehend aus langen Ketten aneinandergereihter Glucose- (Traubenzucker-) Molekçle, sind der Kraftstoff. Bei seiner Synthese wird als Abfallprodukt Sauerstoff (O2) frei, der çber einen Kamin (Spaltæffnungen) in die Luft entlassen wird. Fçr eine erste summarische Bilanz, die die Einzelheiten des komplexen Vorgangs (photosynthetische Wasserspaltung, CO2-Fixierung im CalvinCyclus) auûer Betracht låsst, erzeugt die Photosynthese = Assimilation aus 6 H2O + 6 CO2 + h´m ! C6H12O6 (Glucose) + 6 O2; allgemein: n Mol H2O + n Mol CO2 + h´m ! [CH2O]n (Stårke) + n Mol O2. Der Term h´m steht hierbei fçr Licht. Die Stårke enthålt Sonnenenergie in konzentrierter und transformierter Form gespeichert. Man sieht dies der Summenformel an: Nimmt man den Gehalt an Kohlenstoff (C) als Referenz, so weist der relativ hohe Gehalt an Wasserstoff (H) und der geringe Anteil von Sauerstoff (O) auf hohen Energiegehalt hin. Die gespeicherten Kohlenhydrate nutzt unser Konzern, die Pflanze, in zweierlei Weise: l

Die Pflanze kann Kohlenhydrate als Ausgangsmaterialien zur Synthese anderer Substanzen

2

1 Energie und Leben

verwerten. Sofern diese hochmolekular sind und relativ viel H und wenig O enthalten, wie Cellulose, Proteine oder gar Fette und Úle, behalten sie einen betråchtlichen Teil der eingefangenen Sonnenenergie als chemisch gespeicherte Energie. l

Die Pflanze kann aber auch die Kohlenhydrate in die zweite Teilfabrik, das Mitochondrium, einschleusen. In ihr wird die intramolekular gespeicherte Energie wieder freigesetzt und dazu verwendet, ATP-Akkus aufzuladen, die çberall hin getragen und als lokal einsetzbare Energiequellen benutzt werden kænnen. Die Pflanze muss diesen Teilprozess ablaufen lassen; denn schlieûlich muss sie auch nachts çberleben, wenn keine Sonne scheint. Und Leben ist, wie wir spåter erærtern werden, nur unter beståndigem Energieverbrauch aufrechtzu-

Abb. 1.1. Biologische Kraftwerke. Erlåuterung im Haupttext

erhalten. Summarisch låuft im Mitochondrium der Gegenprozess, der oxidative Abbau = Dissimilation ab: C6H12O6 (Glucose) + 6 O2 ! 6 H2O + 6 CO2. Der Chemiker spricht hier von (vollståndiger) Oxidation, der Biologe von innerer Atmung oder Zellatmung: Es wird O2 aus der Luft aufgenommen und konsumiert, das entstehende CO2 wird an die Luft abgefçhrt (oder, in den Pflanzen vor allem, chemisch abgefangen und anderweitig verwendet). Formal entspricht die vollståndige Oxidation einer Verbrennung, doch wird in den Mitochondrien nur ein Teil der Energie als Wårme frei; 40 bis 60% der Energie wird in den geladenen ATPAkkus aufgefangen.

1.1 Energie, von der Sonne gespendet, speist alles Leben

Wie sieht es nun mit einer Gesamtbilanz aus? Wçrde sich die Synthese von Kohlenhydraten im linken Kraftwerk und deren Verbrauch im rechten Kraftwerk die Waage halten, kænnte die Pflanze fçrs erste durchaus zufrieden sein. Gewiss wåre keine neue organische Substanz gewonnen ± die Massenbilanz im Organismus wåre bestenfalls ausgeglichen ± doch Sonnenenergie wåre in ihre ATP-Akkus geflossen und stånde so zur weiteren Verfçgung. Aber eine Pflanze muss mehr erreichen: Sie sollte wachsen, blçhen und Samen erzeugen und gegebenenfalls Vorrat fçr ungçnstige Bedingungen anlegen. In der Pflanze muss also die Photosynthese gegençber dem oxidativen Abbau, muss die Assimilation gegençber der Dissimilation çberwiegen. 1.1.2 Wir Menschen und alle weiteren heterotrophen Organismen leben vom Ûberschuss der Photosynthese; weiterer Ûberschuss wird als ¹fossile Energieª in Sedimentgesteinen deponiert Der Pflanze wird viel abverlangt. Was sie an Materie und Energie im Blattzuwachs, in Knollen, Samen und Frçchten gespeichert hat, raubt ihr vielfach das Tier. Auch Pilze und Bakterien leben vom Ûberschuss. Nur photoautotrophe Bakterien (Cyanobakterien = ¹Blaualgenª) und chemoautotrophe Archaebakterien (die z. B. Schwefelwasserstoff aus Tiefseequellen als Energiequelle nutzen kænnen) machen hier eine Ausnahme. Zieht man nun Bilanz zwischen l

l

photosynthetischer Produktion organischer Substanz durch die Pflanze und oxidativem Abbau der organischen Substanz durch Tiere, Mikroorganismen und auch die Pflanze selbst,

so ist man einer global ausgeglichenen Bilanz nahe. Ûber Jahrmilliarden Erdgeschichte hinweg hat jedoch die Syntheseleistung der Pflanze trotz råuberischem Angriff durch allerlei Nutznieûer bis vor kurzem eine positive Bilanz gehabt. Es wurde durch Assimilation mehr CO2 in Form organi-

scher Materie gebunden als durch Dissimilation wieder in die Atmosphåre entlassen wurde. Entsprechend wurde von der linken Teilfabrik mehr O2 in die Luft geblasen als von der rechten der Luft wieder entzogen wurde. Dies bezeugen der geringe Kohlendioxid-Gehalt (0,03 Vol%) und der hohe Sauerstoff-Gehalt (21 Vol%) der heutigen Erdatmosphåre; denn in Urzeiten waren die Mengenverhåltnisse umgekehrt. Die Uratmosphåre enthielt nach Auskunft der Geochemiker ursprçnglich mehr CO2 als O2. Bei vollståndig ausgeglichener Bilanz håtte sich O2 nicht anreichern kænnen. Wenn jedoch aus der vergangenen Erdgeschichte O2 çbrig geblieben ist, håtte da nicht auch [CH2O]n çbrig bleiben mçssen? (Siehe die Formel S. 2 !) Es ist in der Tat einiges çbrig geblieben, wenn auch in abgewandelter Form: Das Øquivalent des nicht abgebauten organischen Materials zum Sauerstoff der Erdatmosphåre sind die fossilen Brennstoffe: Erdæl, Erdgas, Kohle. Wçrden diese fossilen Brennstoffe vollståndig verbrannt, verschwånde der Sauerstoff aus der Luft und wir wçrden ersticken. Die Gefahr ist freilich gering; denn das meiste fossile organische Material ist so fein im Sedimentgestein verteilt, dass es nicht wirtschaftlich extrahiert werden kænnte.

!

Momentan ist durch die extrem rasche Verfeuerung riesiger Mengen an fossilen Brennstoffen die globale Bilanz unausgeglichen und die Vorzeichen sind gegençber frçheren Zeiten umgekehrt: der Sauerstoffgehalt der Atmosphåre sinkt, der CO2-Gehalt steigt.

Nach Berechnungen von Meteorologen und Physikern ist es mæglich, dass der ± an sich geringe ± Anstieg des CO2-Gehalts zu einer dramatischen, ja katastrophalen Erwårmung des Weltklimas fçhrt (falls nicht die enorme Pufferkapazitåt der Ozeane und geochemische Prozesse allmåhlich das Kohlendioxid abfangen). Der Biologe wçsste eine ækologisch vertrågliche Kompensation: Der Pflanzenwuchs mçsste entsprechend gesteigert werden; denn die Pflanze holt im Zuge der Photosynthese das CO2 aus der Luft, um es organisch in

3

4

1 Energie und Leben

[CH2O]n und Folgeprodukten zu speichern. Kohlendioxid ist sogar einer der Faktoren, die im besonderen Maûe das Wachstum der Pflanzen begrenzen.

1.2 Stoffrecycling und Energieflçsse 1.2.1 Potentiell wåre im Úkosystem Erde ein balanciertes Recycling von Stoffen mæglich; der Energiefluss hingegen ist unidirektional Unser in Abb. 1.1 skizziertes Kraftwerk låsst im Prinzip ein perfektes Recycling der Materie zu: Pro 6 Mol CO2 + 6 Mol H2O, die links angesaugt werden, treten rechts 6 Mol CO2 + 6 Mol H2O wieder in die Umwelt aus. Pro 6 Mol O2, die links in die Luft abgeblasen werden, werden rechts 6 Mol O2 angesaugt. Anders verhålt es sich jedoch mit der Energie. Sie flieût von der Sonne in das Kraftwerk, aber nicht zur Sonne zurçck. Wie wir noch diskutieren werden, verwandelt sich auch die in Lebewesen in organischer Materie eingefangene Sonnenenergie frçher oder spåter zum græûten Teil in Wårme, sosehr wir uns auch bemçhen, Energie in ATPAkkus oder Makromolekçlen zu speichern und fçr Arbeitsprozesse verfçgbar zu machen. Selbst wenn uns die Synthese von unbegrenzt haltbaren Materialien zum Speichern und Transportieren von Energie gelånge, wçrden wir immer dann, wenn wir diese Energie nutzen wollen, einen Teil als Wårme verlieren, vor allem in Form der unvermeidlichen Temperaturstrahlung. 1.2.2 Entropie fçr den Anfang: es gibt keine vollståndig regenerierbare oder erneuerbare Energie; wohl jedoch liefert die Sonne ståndig nach Wenn sich der kochende Teekessel abkçhlt, verteilt sich die entweichende Wårme in der Kçche. Sie wird nie spontan zum Teekessel zurçckflieûen,

um den Tee wieder aufzuwårmen. Auch die Temperaturstrahlung der Sonne verstreut Energie im Weltraum in einer Weise, dass sie wohl nie mehr (vollståndig) zu ihrem Ursprung zurçckkehren wird. Die Verteilungsweise von Energie und von Energietrågern (z. B. Gasmolekçlen) wird durch den Term Entropie quantitativ beschrieben. Der Term ist so definiert, dass zunehmende Entropie eine zunehmende Gleichverteilung widerspiegelt. Obzwar das griechische Stammwort entrepein ¹umkehrenª bedeutet, ist Entropie ein Maû fçr die Nichtumkehrbarkeit eines Vorgangs. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Materie und Energie sich im abgeschlossenen Raum nach und nach gemåû den Regeln der Wahrscheinlichkeit (statistisch) gleichfærmig verteilen. Lokale Wårmequellen haben nur vorçbergehend Bestand. Energiestræme in abgeschlossenen Systemen werden nie von selbst auf bestimmte Orte zuflieûen, um am Konvergenzpunkt einen Energiegipfel aufzutçrmen. Manche Physiker und Biochemiker scheinen darçber hinaus zu wissen, dass das Weltall in seinen unermesslichen Dimensionen ein abgeschlossenes System ist und dehnen den Entropiesatz auf das ganze Universum aus. So pflegen Lehrbçcher der Biochemie den Satz von Rudolf Clausius (1822±1888), der den Entropiebegriff prågte, als Naturgesetz des Weltalls wiederzugeben: ¹Second law of thermodynamics: the universe tends to maximum disorderª (Voet u. Voet, 2004, S. 53); oder ¹the entropy of the universe tends to a maximum, i.e. any change in the universe will involve an increase in its entropyª (Harris, 1995, S. 10). Wir werden allerdings weiter unten sehen, dass in der biochemischen und physiologischen Praxis das ¹Universumª sehr klein ist und die uns interessierenden Teilprozesse çberschaubar sind. Was ist Wårme? Gemåû der historischen Entwicklung des Begriffs, und in der Auffassung des physikalischen Laien, ist Wårme jene Art von Energie, die die Wårmerezeptoren unserer Haut stimuliert oder die Anzeige eines Thermometers veråndert. Wir erfahren vom Physiker,

1.3 Energienutzung in lebenden Systemen

dass diese Energie in zwei Erscheinungsformen auftritt: 1. Wårme ist die Energie, die der Summe der ungerichteten kinetischen Energien beweglicher Atome und Molekçle entspricht. Auf der Sonne, im Feuer, im kochenden Wasser herrscht unbeschreibliches Durcheinander. Wårme fasst die zahlreichen Bewegungsarten (gemåû ihren ¹Freiheitsgradenª) der unzåhligen Materieteilchen in einem makroskopischen Betrag zusammen, der mit Thermometer und Maûband (Volumenmessung) gemessen werden kann. 2. Als Wårme empfinden wir auch absorbierte Energie der ¹Temperaturstrahlungª, missverståndlich auch ¹Wårmestrahlungª genannt, und diese gehært der elektromagnetischen Strahlung an. Jede Materie, in der Atome und Molekçle in thermischer Bewegung sind, sendet ungerichtete und ungekoppelte (nichtkohårente) elektromagnetische Wellen aus. Diese Strahlung kann, falls sie eine geeignete Wellenlånge hat, in anderen Kærpern, z. B. in uns, ihrerseits thermische Bewegungen hervorrufen. Empfindungsmåûig ist dann, scheinbar, Wårme çbertragen worden. In Lebewesen besonders gçnstig wirksam ist hierbei die Infrarotstrahlung, da sie ± anders als beispielsweise Gamma- oder UV-Strahlung ± keine schådlichen Nebenwirkungen hat, solange die Energiedichte in Grenzen bleibt. Lebewesen kænnen sich von ¹Wårmestrahlernª wie der Sonne erwårmen lassen, erzeugen andererseits auch selbst unvermeidlich ¹Wårmestrahlungª. Man kann den Wårmeverlust von Lebewesen ebenso wie den Wårmeverlust von Gebåuden mit Infrarotkameras messen. Und so kann auch die Klapperschlange die von der Maus ausgehende Infrarotstrahlung nutzen, um ihre Beute in der Nacht aufzuspçren (Kap. 21). Die auf der Erde ankommende elektromagnetische Strahlung kann von absorbierenden Kærpern in andere Energieformen çberfçhrt werden, so

auch von Pflanzen. Diese Energieformen kænnen zu vielerlei Zwecken nutzbar gemacht werden; letztlich jedoch wird die Strahlungsenergie der Sonne zum græûten Teil wieder als Temperaturstrahlung in den Weltraum entlassen. Die Sonne muss fçr uns unaufhærlich Nachschub liefern. Der Energiefluss folgt einer Einbahnstraûe; es gibt kein (vollståndiges) Recycling der fçr uns verfçgbaren Energie. Diese globalen Gesetzlichkeiten haben auch Konsequenzen in jedem lebenden System, auch in unserem Kærper.

1.3 Energienutzung in lebenden Systemen 1.3.1 Energie ist Vermægen zu arbeiten ± aber man kann mit ihr auch bloû Wårme produzieren Lebewesen erhalten sich, indem sie Energie aufnehmen und umwandeln. Sie tun dies nicht nur, um zu wachsen und zu gedeihen, sondern mçssen dies auch tun, um ihre labile innere Ordnung aufrechtzuerhalten. Darauf wird der zweite Hauptsatz der Thermodynamik (s. unten) hinweisen. Die Thermodynamik, ein schwieriges Kind der Physik, hat ihre Geburtsstunde und Namenstaufe erlebt in einer Zeit, als Wårmekraftmaschinen im Blickpunkt des Interesses der Physiker und Techniker standen. Der Name konnte im allgemeinen Sprachgebrauch nicht durch das Wort Energetik verdrångt werden, das man in der Biochemie und Biophysik lieber gebraucht. Ob man nun Thermodynamik oder Energetik sagt, es geht um Energieumwandlungen aller Art. Wie fçr alle solche Prozesse gelten auch fçr unseren elementaren, energiefreisetzenden Prozess C6H12O6 (Glucose) + 6 O2 ! 6 H2O + 6 CO2 + Energie die Hauptsåtze der Thermodynamik.

5

6

1 Energie und Leben

BOX K 1.1

Energetik

II. Hauptsatz

I. Hauptsatz Die in einem Prozess umgesetzte Menge an Energie låsst sich vollståndig wiederfinden in der durch das System und am System geleisteten Arbeit und der vom System abgegebenen und/oder aufgenommenen Wårme. Insgesamt bleibt die in einem Prozess umgesetzte Energie erhalten, in welcher Form auch immer.

Frei bewegliche Molekçle verteilen sich aufgrund ihrer zufallsabhångigen und ungekoppelten thermischen Bewegungen zunehmend gleichfærmig im Raum. Maû fçr die Wahrscheinlichkeit ihrer Verteilung zu einem gegebenen Zeitpunkt ist die Entropie. Sie strebt in einem geschlossenen System einem Maximum zu. Dieses ist, sofern die Molekçle nicht wechselwirken, erreicht, wenn die Molekçle statistisch uniform verteilt sind.

DU = DA + DQ U = umgesetzte Energie = ¹innere Energieª A = Arbeit (Nettoertrag) Q = Wårmeaustausch (Nettoertrag). Fçr den Physiologen, Biochemiker und Ernåhrungswissenschaftler, der im Kalorimeter den Energiegehalt von Nahrungsmitteln bestimmt, gibt es noch eine Sonderform dieses Terms. Der Wissenschaftler låsst das DU mæglichst quantitativ in DQ freiwerden. Den kleinen Rest, der sich in Ausdehnungs- und Druckarbeit p ´ V bemerkbar macht, wird von der ¹inneren Energieª U abgezogen. Um diesen kleinen Betrag bereinigt, wird die innere Energie zur Reaktionsenthalpie H: DH = DU + DpV (Druck-Volumen-Arbeit) = DU + DpV (Volumenarbeit) + VDp (Druckarbeit) = DQ + VD(p) (Druckerhæhung im starren Kalorimeter) Die Reaktionsenthalpie DH entspricht also betragsmåûig weitgehend der Energie, die im Kalorimeter als Wårmemenge DQ in Erscheinung tritt, sofern auûer der (unvermeidlichen aber geringen) Druckerhæhung keine weitere Arbeit geleistet wird. In der praktischen Arbeit des Labors darf die Reaktionsenthalpie DH mit der inneren Energie gleichgesetzt werden, wenn man geringe Ungenauigkeiten in Kauf nimmt.

DS > 0 Nach einer 1877 vom æsterreichischen Physiker Ludwig Boltzmann vorgeschlagenen Formel kann die Entropie S quantitativ von der Anzahl der Mæglichkeiten W abgeleitet werden, wie Teilchen sich verteilen kænnen. Allgemein spiegelt W die Anzahl der realisierten ¹Mikrozuståndeª innerhalb eines thermodynamischen ¹Makrozustandesª wider. Beim Beispiel, das in Box 1.2 erærtert und berechnet wird, hat man sieben Makrozustånde (0; 1; . . . ; 6 Teilchen in der linken Kammer). Die dazugehærenden Mikrozustånde sind durch die Zahlen Wn ˆ …n6† gegeben, und als Entropie kann man definieren: Sn = k ´ ln Wn ; dabei ist k die Boltzmann-Konstante: kˆ

Gaskonstante R 8;3145 J K 1 mol 1 ˆ 6;0221  1023 mol 1 Avogadrozahl

ˆ 1;38  10

23

J K 1;

Bezogen auf unser 2-Raumproblem (Box 1.2) lautet die Boltzmann-Gleichung: DS = R ln pB/pA ; wobei pA die Wahrscheinlichkeit meint, dass sich die Molekçle zufållig in einem Raum versammeln, pB die Wahrscheinlichkeit, dass die Hålfte sich links und die andere Hålfte sich rechts befindet (Gleichgewichts-Endzustand). R " ist die Gaskonstante.

7

1.3 Energienutzung in lebenden Systemen

BOX K 1.1 (Fortsetzung)

Im thermodynamischen Gleichgewicht ist die Entropie maximal; d. h. es ist der wahrscheinlichste Verteilungszustand erreicht. Fçr offene Systeme, also auch fçr Lebewesen, gilt allerdings, dass nur in der Gesamtbilanz die Entropieånderungen im Lebewesen und die Entropieånderungen in seiner Umwelt zu einer summarischen Entropiezunahme fçhren mçssen. Im Lebewesen selbst kann die Entropie durchaus abnehmen. DSgesamt = DSSystem + DSUmgebung > 0 Dabei gilt: DSUmgebung = ±DHSystem/T, wobei T die absolute Temperatur meint. Mit anderen Worten, die Umgebung çbernimmt einen Entropiebetrag, welcher der Wårmeproduktion im Lebewesen entstammt und durch den Ausdruck DHSystem/T wiedergegeben wird. Eine abnehmende Entropie in einem Teilbereich des Gesamtsystems, beispielsweise im Lebewesen, ist gleichbedeutend mit zunehmendem Grad der ¹Ordnungª (Verteilung mit geringerer Zufallswahrscheinlichkeit) in diesem Teilsystem und zunehmender ¹Unordnungª in einem anderen Teilsystem, beispielsweise in der Umwelt des Lebewesens.

die Reaktion zum Gleichgewichtszustand zulåuft, und einem Teilbetrag TDS, der als arbeitsunfåhige Energie çbrig bleibt, wenn das Gleichgewicht erreicht ist, und der umso græûer ist, je hæher die Betriebstemperatur T ist. DH = DG + TDS Der zweite, wenig nutzbare Teilbetrag TDS ist also (bei gegebener Temperatur) eine Funktion der Entropiezunahme. Die Entropie S selbst erfasst einen Zustand des Systems und ist ein Maû dafçr, wieweit das System vom Zustand hæchster Wahrscheinlichkeit entfernt ist. Multipliziert mit der Temperatur T gewinnt die Entropie aber die Dimension einer Energie und wird in J/mol angegeben. Der Term TDS kennzeichnet jedoch die nicht nutzbare Energie; sie wird auch als ¹entwertete Energieª bezeichnet. Da uns in erster Linie die arbeitsfåhige Energie interessiert, formulieren wir entsprechend um: DG = DHSystem± TDSSystem = ±TDSUniversum Låsst man das Universum auûen vor, so gilt fçr das System selbst: ±DG

= ±DH

+

III. Freie Energie

freie Energie

Enthalpie

Wåhrend im offenen System ¹lebende Zelleª die Entropie zunehmen oder gleichbleiben oder gar abnehmen kann, nimmt bei allen spontan ablaufenden biochemischen Reaktionen die ¹freieª, arbeitsfåhige Energie ab. Diese Abnahme der freien Energie ist die Triebkraft der Reaktion. Nach Josiah Willard Gibbs (und anderen wie Herrman von Helmholtz) setzt sich der in biochemischen Reaktionen (d. h. bei nahezu konstanter Temperatur und konstantem Druck) umgesetzte Energiebetrag DH aus zwei Teilbetrågen zusammen, aus einem Teilbetrag DG, der potentiell Arbeit verrichten kann, wenn und solange

freie Enthalpie, Gibbs'sche Energie, potentiell arbeitsfåhige Energie

Reaktionsenthalpie, im Kalorimeter gemessene Wårme (plus geringe Ausdehnungsund Druckarbeit)

TDS Entropie (´Temp.) entwertete Energie, ¹gebundene Wårmeª, nicht arbeitsfåhige Energie

G ist eine Zustandsgræûe, d. h. ihr Betrag ist vom speziellen Weg der Reaktion unabhångig, und hat die Dimension J/mol. Der Term DG/mol ist das chemische Potential der Reaktanden

"

8

1 Energie und Leben

BOX K 1.1 (Fortsetzung)

(hier Glucose und O2), vergleichbar der Hæhendifferenz im Stausee oder der elektrischen Spannung einer Batterie. DG kann auch als Triebkraft der Reaktion charakterisiert werden. Die Zahl der Mole, die an der Reaktion beteiligt sind, ergibt die Kapazitåt, vergleichbar der Wassermenge im Stausee oder der Ladekapazitåt Ah einer Batterie. DG selbst wird aus den Konzentrationsverhåltnissen der Reaktanden und Produkte zu Beginn der Reaktion und an deren Ende (Gleichgewichtszustand) bei definierten Bedingungen errechnet. Fçr ein Flieûgleichgewichtssystem kænnen wir formulieren: T ´ dSgesamt /dt = dQ/dt + T ´ dSsystem /dt Bestimmung der freien Energie aus dem Gleichgewichtszustand Fçr die Berechnung der freien Energie einer konkreten biochemischen Reaktion kænnen nicht allein die Messwerte des Kalorimeters herangezogen werden. Es mçssen das wåssrige Læsungsmittel und die Konzentrationsverhåltnisse berçcksichtigt werden. Je hæher das Konzentrationsgefålle, desto hæher das Energiegefålle. Je hæher das Energiegefålle, desto mehr der Ausgangsmaterialien werden im Gleichgewichtszustand, d. h. am Reaktionsende, in Endprodukte verwandelt sein. Fçr die Reaktion A + B ! C + D gilt: Chemisches Potential (G/mol) von A: RT ´ ln [A]; [A] Konzentration von A in mol/Liter; R = Gaskonstante & 8,3 J/(K ´ mol); T = Temperatur in Kelvin. Entsprechendes gilt fçr B, C und D. Daraus ergibt sich: DG0 ˆ

‰CŠ  ‰DŠ : RT  ln ‰AŠ  ‰BŠ

Da nun nach dem Massenwirkungsgesetz ‰CŠ  ‰DŠ ˆ K …Gleichgewichtskonstante† ; ‰AŠ  ‰BŠ gilt: DG0 = ±RT ´ ln K DG0, die Ønderung der freien Standardenergie, ist eine Konstante und gibt den Gleichgewichtspunkt einer Reaktion an. Letztlich errechnet sich also die freie Standardenergie aus der Gleichgewichtskonstanten bei Standardbedingungen. Standardbedingungen: l

Konzentrationen: jeweils 1 mol/Liter;

l

Temperatur: 298 K (25 8C);

l

Druck: 100 kPa (1 bar);

l

pH = 1 in der Chemie; pH = 7 in der Biochemie (weshalb man in verschiedenen Bçchern unterschiedliche Angaben çber die freie Energie z. B. der Glucose-Oxidation finden kann).

Wieviel anfånglich vor dem Start der Reaktion bei beliebigen aktuellen Ausgangskonzentrationen an arbeitsfåhiger Energie vorhanden ist, wird als DGaktuell errechnet: DGaktuell ˆ DG0 ‡ RT  ln

‰CŠakt:  ‰DŠakt: ‰AŠakt:  ‰BŠakt:

Freie Energie und Redoxpotential Wenn Energieçbertragung durch Elektronentransfer geschieht wie in der Atmungskette der inneren Mitochondrienmembran, dann gilt: DG = n ´ F ´ DRp n = Anzahl e± F = Faradaykonstante 96 500 Coulomb/mol DRp = Ønderung des Redoxpotentials

1.3 Energienutzung in lebenden Systemen

I. Hauptsatz: Energieerhaltung Der Energie-Erhaltungssatz (Box 1.1) besagt, dass die in biochemischen und physiologischen Systemen umgesetzte Energie U vollståndig erfasst wird, wenn man die Arbeit A ermittelt, die das System verrichtet hat oder die in das System investiert worden ist, und wenn man dazu den Netto-Wårmeaustausch Q zwischen System und der Umgebung addiert.

l

um Substanzen zu reduzieren, d. h. mit Wasserstoff und/oder Elektronen anzureichern,

l

um Materialien im Zellinneren zu transportieren,

l

um Substanzen wie z. B. Glucose çber Zellmembranen zu transportieren und im Zellinneren anzuhåufen,

l

um Ionen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung çber Zellmembranen hinweg zu trennen und dadurch elektrische Spannungen (elektrische Potentiale) aufzubauen,

l

um es Muskelfasern zu ermæglichen, sich in ihrer Långsachse gegen Widerstånde zu verkçrzen.

Ønderung der Energie im System DU = DA + DQ Bei organischen Molekçlen ist die innere Energie im Wesentlichen bestimmt durch die intramolekularen Bindungskråfte. Die bei der Glucoseverbrennung umgesetzte Energiemenge ergibt sich aus der Differenz des verfçgbaren Energiegehaltes der Endprodukte H2O + CO2 und der Ausgangsmaterialien C6H12O6 (Glucose) + O2. Dabei ist der Energiegehalt der Endprodukte bei normalem Druck und normaler Umgebungstemperatur fçr die Zwecke der Zelle nicht weiter verfçgbar. Obzwar die chemischen Bindungen in H2O und CO2 enorm stark sind, ja gerade weil sie so enorm stark sind, kann sie die Zelle nicht weiter nutzen und muss das Energiepotential der Endprodukte praktisch mit Null verbuchen. 1.3.2 Was ist Arbeit in einem lebenden System? Arbeit ist, so haben wir es in der Schule gelernt, Masse ´ Beschleunigung ´ Weg; sie åuûert sich in einer Ortsverånderung von Ionen, Molekçlen, Zellen oder ganzen Lebewesen, verursacht von Kråften gegen widerstrebende Kråfte. Arbeit beinhaltet eine råumliche Umschichtung von Energie. In der Biochemie und Physiologie einer Zelle sollten wir bei Ortsverånderung auch an submikroskopisch kleine Teilchen (z. B. Elektronen) und submikroskopisch kleine Wegstrecken denken. Arbeit wird im lebenden System verrichtet, l

um ATP-Akkus zu fçllen,

l

um chemische Bindungen zu knçpfen,

1.3.3 Wårme kontra Arbeit: bei jeder Arbeit fållt Wårme als Abfallprodukt an Chemische Reaktionen, die im Organismus ablaufen, kænnen ± wie alle chemischen Reaktionen ± Wårmeenergie an die Umgebung (Wassermolekçle, Luft) abgeben, çber molekulare Stæûe oder mittels Strahlung. Die Reaktion ist dann exotherm. Sie kænnen aus der Umgebung auch Wårme entnehmen, um sie der Reaktion nutzbar zu machen. Die Reaktion ist dann endotherm. Die innere Energie ist in der Sprache der Physik eine Zustandsgræûe; d. h. der in einem biochemischen Prozess frei werdende Energiebetrag ist unabhångig vom speziellen Weg der Reaktion. Man kann Glucose in der Luft verbrennen, oder man kann sie verschlucken und im eigenen Kærper durch die komplizierten Stoffwechselwege der Glykolyse, des Citratcyclus und der Atmungskette schleusen: der frei werdende Energiebetrag DU ist der gleiche. Keine Zustandsgræûen sind jedoch A und Q. Ihr relativer Anteil ist variabel und åndert sich je nach der Art der Zwischenprozesse, die zu den Endprodukten CO2 und H2O fçhren. Dabei zeigt die Erfahrung, ohne dass der I. Hauptsatz dafçr eine Erklårung abgåbe, dass

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10

1 Energie und Leben l

U zu 100% in Wårme verwandelt werden kann,

l

aber nicht zu 100% in zyklisch wiederholbare Arbeit.

Es ist kein Prozess mæglich, dessen einziges Resultat die Umwandlung von Energie in Arbeit ist. Stets wird eine gewisse Menge der investierten Energie als Wårmeenergie Q erscheinen. Bevor wir die Bedeutung dieses Phånomens diskutieren und nach einer Erklårung suchen, sei erst auf eine praktische Anwendung dieses Sachverhaltes hingewiesen.

1.3.4 Enthalpie und der Kaloriengehalt unserer Nahrung: Lebensmittelfachleute verbrennen Nahrung, um Diåtrezepte geben zu kænnen In der Tat wird die durch Oxidation gewinnbare Menge an Energie eines Nahrungsmittels gemessen, indem es verbrannt und sein Energiegehalt (fast) vollståndig in Wårme çberfçhrt wird. Es werden beispielsweise 1 Mol Glucose (= 180 g Traubenzucker) in einem Kalorimeter, d. h. in einem thermisch gut isolierten Behålter, mit reinem Sauerstoff verbrannt. Ca. 98% der freigesetzten Energie erscheint als Wårme Q, ca. 2% als Druckvolumenarbeit pDV bzw. VDp, weil sich das frei werdende CO2-Gas und der entstehende Wasserdampf ausdehnen und gegen die Gefåûwånde drçcken. Dies ist mittels eines Manometers messbar. Sieht man von dieser Expansionsarbeit ab, ist die Wårme des Verbrennungsofens ein Maû der inneren Energie U des als Heizmaterial geopferten Nahrungsmittels. Der Biochemiker verbrennt in der Regel Glucose nicht, sondern setzt sie mit Enzymen im Reagenzglas um oder gibt sie beispielsweise Hefen zum Fraû. Seine Reaktionsgefåûe sind zwar mit einem Thermometer bestçckt, aber nicht mit einem Manometer (der ihm eh nur einen extrem geringen Wert anzeigen wçrde). Daher kombiniert der Biochemiker die Terme U und pV zu einer neuen, zusammengesetzten Zustandsgræûe:

U + pV = H (Enthalpie); hierbei steht V fçr das Volumen und p fçr den Druck. Fçr Ønderungen in einem Prozess gilt entsprechend: DH = DU + pDV Wenn wir dem Biochemiker folgen und die Druckvolumenarbeit pDV wegen ihres åuûerst geringen Betrages vernachlåssigen, entspricht die Ønderung der Enthalpie der Ønderung der inneren Energie DU. Dieses DU wiederum setzt sich zusammen aus der çbertragenen Wårmemenge und allen Formen der Arbeit, die das System erbringt oder die dem System zugute kommt. Das Wort Enthalpie nimmt Bezug auf Wårme (griechisch: en = darin, thalpos = Wårme). Quintessenz der ganzen Ausfçhrung ist also: die beim Verbrennen der Nahrung freigesetzte Wårmemenge ist ein brauchbares Maû fçr jenen Teil ihres Energiegehaltes, der in der biologischen Oxidation frei wird ± und im Organismus selbst in wechselnden Verhåltnissen ebenfalls in Form von Wårme in Erscheinung tritt oder aber verarbeitet und in andere Energietråger umgeschichtet wird. Bei der Verbrennung von Glucose wird eine Enthalpie von ±670 kcal/mol bzw. ±2808 kJ/mol frei.

!

Beachte: Vereinbarungsgemåû wird die Differenz zwischen Endzustand und Anfangszustand gebildet. Daher wird bei exothermen Reaktionen die freigesetzte (Wårme-) Energie mit Minus verbucht.

Das Verfahren, den Energiegehalt der Nahrung durch Wårmeproduktion zu bestimmen, fand seinen Niederschlag im so genannten Kaloriengehalt der Nahrung. Die gemessene Verbrennungswårme ist ein guter, wenn auch nicht perfekter Schåtzwert fçr den potentiellen energetischen Nutzen dessen, was wir essen. Dieser Messwert kann freilich nicht berçcksichtigen, wie gut ein Nahrungsmittel im Darm aufgeschlossen werden kann, wieviel Energie schon bei der enzymatischen Zerlegung im Darm als Wårme verlorengeht, wieviel von den Komponenten ins Blut gelangt, und wie die einzelnen

1.4 Entropie und Leben

Komponenten von der Zelle verwertet werden kænnen. Schlieûlich kann das Kalorimeter auch keine Auskunft geben darçber, in welchem Ausmaû die in der Zelle freigesetzte Energie schon sogleich bei ihrer Freisetzung lediglich zur Kærperwårme beitrågt, ohne irgendwelche Arbeit zu leisten. Der physikalische Kaloriengehalt wird fçr das Diåtrezept durch einen Erfahrungswert, den physiologischen Brennwert (s. Kap. 2), korrigiert. Es ist ein bloûer Durchschnittswert. Schon allein der Umstand, dass mancher einen leistungsfåhigen Verdauungstrakt hat, der andere Vieles ungençtzt passieren låsst, fçhrt dazu, dass die gleiche ¹Kalorienmengeª bei dem einen als Gewicht anschlågt, bei dem anderen nicht. Bemerkung: Die Kalorien, die in den Kçchenrezepten angegeben sind, sind meistens als Kilokalorien zu verstehen. Auûerdem ist cal seit einigen Jahren schon in der Wissenschaft nicht mehr gçltig. Das cal mçsste durch die SI Einheit Joule ersetzt werden. Da aber Kochbçcher und Diåtrezepturen seit alters den Nahrungsmitteln Kalorien zuordnen, sollten wir beim Thema Ernåhrung die låssliche Sçnde der terminologischen Laienhaftigkeit verzeihen und den Leuten oder unseren Haustieren weiterhin ihre ¹Kalorienª gænnen. Zum Umrechnen gilt: 1 cal = 4,19 J 1 kcal = 4,19 kJ. Allgemeine Bedeutung von Enthalpie. Wenn das soeben Gesagte den Eindruck erweckt haben sollte, die Bedeutung des Begriffs Enthalpie sei darauf beschrånkt, ein Maû fçr den Energiegehalt von Nahrungsmitteln zu liefern, so sei dies nun korrigiert: Unter konstantem Druck, wie dies bei biochemischen Prozessen çblich ist, kann die Enthalpiedifferenz DH zwischen dem Anfangs- und Endzustand eines biochemischen Prozesses dadurch bestimmt werden, dass man die Wårme misst, die bei diesem Prozess abgegeben oder aufgenommen wird. Enthalpie ist ein Maû fçr den Energieumsatz auch in ganzen Ketten und Netzwerken von Reaktionen. In einem Kalorimeter passender Græûe und Ausstattung kann sogar

ein ganzes Tier sitzen und als Øuûerung seines Lebens ¹Reaktionswårmeª abgeben (Kap. 2, Abb. 2.5).

1.4 Entropie und Leben 1.4.1 Entropievermehrung lenkt einen Prozess in eine bestimmte Richtung Der erste Hauptsatz macht keine Aussage darçber, warum Glucose, wenn sie erst einmal mittels eines Zçndfunkens (Aktivierungsenergie) entzçndet worden ist, zu CO2 und H2O verbrennt und Wårme freisetzt, wir aber wohl kaum jemals beobachten, dass CO2 und H2O sich auûerhalb von Pflanzen unter Wårmeaufnahme zu Glucose verbinden (und O2 abstoûen). Der Energieerhaltungssatz wçrde nur verlangen, dass die in der synthetisierten Glucose eingebundene Energie betragsmåûig der aus der Umgebung aufgenommenen Wårmeenergie entspricht. Welche Reaktionen von selbst ablaufen, falls sie einmal in Gang gekommen sind, und welche nicht, wird erkennbar, wenn man herausgefunden hat, wie sich die Entropie åndert. II. Hauptsatz: Entropiezuwachs Es wird hier eine Formulierung gewåhlt, welche die Relevanz des Entropiesatzes fçr zellphysiologische Prozesse deutlich machen soll: Es geschieht, was wahrscheinlich ist. Bewegliche, nicht wechselwirkende Molekçle verteilen sich in einem sich selbst çberlassenen, abgeschlossenen System nach den Regeln der Wahrscheinlichkeit weitgehend gleichfærmig im Raum, weil ihre thermischen Bewegungen ungekoppelt und zufallsorientiert sind. Manche Menschen empfinden eine solche statistische Verteilung als Unordnung, weshalb Entropie bisweilen auch als Maû der Unordnung definiert wird. ¹Beweglichª soll heiûen: solange nicht Kråfte der Anziehung und des Zusammenhaltes stårker sind. Makromolekçle und supramolekulare Kom-

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1 Energie und Leben

plexe zerfallen nicht so leicht. Die zwei Strånge einer DNA halten fçr Jahrmillionen zusammen, wenn sie nicht durch thermische oder sonstige Energie auseinandergetrieben werden. Befinden sich auf der einen Seite einer isolierenden Membran positiv geladene Kationen, auf der anderen Seite negativ geladene Anionen, werden sie sich wechselseitig çber die Membran anziehen und so am wegdiffundieren hindern. Anders hingegen, wenn Barrieren verschwinden und Kationen und Anionen etwa als Paare frei beweglich werden. 1.4.2 Entropie gleicht Temperatur- oder Konzentrationsdifferenzen aus und vernichtet dabei Potentiale zum Arbeiten

l

pH-Differenzen sind instabil und gleichen sich aus;

l

unterschiedliche Partialdrucke der Atemgase in verschiedenen Råumen streben dem Ausgleich zu;

l

elektrische Potentialdifferenzen, die mittels beweglicher Ladungstråger (Ionen) erzeugt worden sind, brechen zusammen, wenn nicht Barrieren (Widerstånde) dies verhindern. 1.4.3 Entropie und Wahrscheinlichkeit: Lebende Systeme mçssen Unwahrscheinliches leisten

l

Temperaturdifferenzen gleichen sich aus;

l

Konzentrationsdifferenzen kænnen nur çber undurchlåssige Membranen aufrechterhalten

Werfe ich einen Stein ins Wasser, çbertrågt er seine kinetische Energie auf die Wassermolekçle. Diese geben den Impuls an ihre Nachbarn weiter. Da die Bewegungen von Wassermolekçlen wenig gerichtet sind, breitet sich die von den Bewegungsimpulsen getragene Energie allseitig aus und verteilt sich schlieûlich makroskopisch ho-

Abb. 1.2. Energiepotential einer Konzentrationsdifferenz. Die Kugeln kænnen als Gasmolekçle oder als elektrisch neutrale Molekçle einer Læsung betrachtet werden. In der anfånglichen Konzentrationsdifferenz steckt ein Energiepotential, das vernichtet ist, wenn bei Gleichverteilung der Molekçle die Entropie des Systems maximiert ist. Ein Teil des Energiepoten-

tials kann zum Verrichten von Arbeit, hier zur Erzeugung von elektrischem Strom, abgefçhrt werden. Geschieht dies, ist die Temperatur in beiden Kammern am Ende des Ausgleichsprozesses geringer als wenn keine Energie abgefçhrt worden wåre. Die durch Abkçhlung verlorene Energiemenge entspricht der als Strom abgefçhrten Energiemenge

In lebenden Systemen bedeutet Entropiezunahme z. B.:

1.4 Entropie und Leben

mogen im Wasser als gånzlich ungeordnete Wårmebewegung der Molekçle. Wçrden alle Wassermolekçle in exakt der umgekehrten Reihenfolge, mit exakt der gleichen Geschwindigkeit und in exakt der entgegengesetzten Richtung zurçckpendeln, flæge der Stein aus dem Wasser zurçck auf mich zu. Tråte dies ein, språche der Physiker von einem ¹reversiblen Prozessª. Das Physikbuch erwåhnt aber auch, dies sei ein idealer Grenzfall. Das Pendel im Vakuum am reibungsfreien Faden sei ein solcher Grenzfall. Doch nicht die Ausfçhrungen im Lehrbuch der Physik beruhigen mich. Ich bin unbesorgt, nicht weil ich im Physikbuch etwas çber die Seltenheit reversibler Prozesse gelesen habe, sondern weil ich da einige Erfahrung habe; es ist offensichtlich unwahrscheinlich, dass der Stein zurçckfliegt. Ein zweites Beispiel: Eine Schachtel wird knapp zur Hålfte mit schwarzem Sand gefçllt. Darçber kommt eine gleich groûe Schicht mit weiûem Sand. Man schçttelt und sieht grauen Sand. Man kann schçtteln solange man will, die ursprçngliche Schichtung stellt sich nicht wieder ein. Gehen wir nåher an biologische Phånomene heran. Wir betrachten zwei miteinander verbundene Råume (Abb. 1.2). Der linke Raum enthalte Teilchen (z. B. Atemgase oder eine Læsung einer Substanz) in hoher Konzentration, der rechte sei anfangs leer. Der Durchgang wird geæffnet (z. B. fçr gelæste Teilchen durch Kanåle oder Carrier in der Zellmembran). Auf Grund ihrer thermischen Bewegung verteilen sich die Molekçle auf beide Råume gleichfærmig. Dabei werden sich ihre Bewegungsenergien einem Durchschnittswert nåhern. Schnelle Molekçle geben Impulse an langsamere ab (es bleibt aber eine Gauû'sche Verteilung der individuellen Geschwindigkeiten erhalten). Thermische Bewegung ist zufallsorientiert, wie dem flçchtigen Zuschauer das Gehçpfe und Geschiebe in einer Disco vorkommt. Zufall bestimmt die summarische Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Molekçle. Diese Aussage wird am Beispiel von sechs Molekçlen in Box 1.2 begrçndet und diskutiert. Eine einfache Ûberlegung gibt auch ohne viel Wahrscheinlichkeits-Mathematik eine gute Vor-

stellung von den Græûenordnungen, die in solchen Berechnungen auftreten. In einem Raum, der in zwei gleich groûe Kammern gegliedert ist, hat jedes Molekçl die Wahrscheinlichkeit 1/2 in einer der beiden Kammern zu sein. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei bestimmte Molekçle gleichzeitig in der gleichen Hålfte sind, ist (1/2)2 = 2±2, und dass alle Molekçle N in der gleichen Hålfte sind ist 2±N. Je mehr Molekçle zugegen sind, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sich im ziellosen Discotanz gleichzeitig alle im linken oder im rechten Raum befinden; desto wahrscheinlicher wird es, dass beide Råume annåhernd gleich stark frequentiert sind. Sind 1000 Molekçle vorhanden, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich alle zufållig im linken oder rechten Raum konzentrieren, noch 1 : 2±1000 = 10±301. Was aber sind schon 1000 Molekçle! 1 Mol Sauerstoffgas, das bei Normaldruck und 20 8C ein Volumen von 22,4 Litern beansprucht, enthålt 6 ´ 1023 Molekçle; und ebenso enthålt 1 Mol Glucose = 180 g feste Substanz 6 ´ 1023 Molekçle (Avogadrozahl)! Ein Konzentrationsgefålle, sich selbst çberlassen und nicht durch Barrieren stabilisiert, gleicht sich von selbst aus, weil die gelæsten Teilchen sich mit hæchster Wahrscheinlichkeit gleichfærmig im Raum verteilen. Umgekehrt betrachtet: Um Konzentrationsdifferenzen oder Potentialdifferenzen (elektrische Spannungen) aufzubauen, mçssen die Teilchen entgegen ihrem spontanen, autonomen Verhalten neu im Raum verteilt werden. Dazu muss Energie gezielt eingesetzt und Arbeit geleistet werden.

!

Spontane Entropiezunahme droht Leben zu vernichten. Lebende Systeme und ihre innere Ordnung werden in der Embryonalentwicklung geschaffen und dann im weiteren Leben aufrechterhalten durch Bindungskråfte und Energie-getriebene Wechselwirkungen, welche der Tendenz zum Zerfall der Ordnung entgegenwirken. Die Ordnung-schaffenden und -erhaltenden Kråfte sind als chemische und elektrische Energie in Biomolekçlen und elektrischen Spannungen gespeichert.

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1 Energie und Leben

BOX K 1.2

Entropie und Verteilungswahrscheinlichkeit von unabhångigen Teilchen in einem geschlossenen Raum Verteilungswahrscheinlichkeiten: Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit Wn dafçr, dass von N gegebenen unabhångigen Teilchen sich n in einem Teilvolumen v befinden? Der betrachtete Raum sei in zwei Kammern mit den Volumina v und V±v geteilt. Es liegt eine Binomialverteilung vor und es gilt:   N v ˆ pn qN n ; wobei p ˆ Wn n V und q ˆ

V

v V

:

Fçr den Fall, dass insgesamt N = 6 Teilchen vorhanden sind, wollen wir berechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit wieviel Teilchen sich im Teilraum v befinden. Beispiel 1: Der Teilraum v umfasst die Hålfte des Gesamtraums, d. h. = 1/2 V. v

|

Wn ˆ

  6 2 n

6

:

Teilchen in li Kammer: 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 Binomialkoeffizient: 1 | 6 | 15 | 20 | 15 | 6 | 1 Aufenthaltswahrsch.: 2 6 ´1|´6|´15|´20|´15|´6|´1 Mit græûter Wahrscheinlichkeit befinden sich also in der einen der beiden gleich groûen Kammern auch die Hålfte aller Teilchen. Am geringsten sind die Wahrscheinlichkeiten, dass sich alle 6 Teilchen oder keines in der betrachteten Kammer befinden. Beispiel 2: Die Kammergræûen seien ungleich, das Gesamtvolumen sei im Verhåltnis 2 zu 3 geteilt; wir betrachten den kleineren Raum.

|

v = V/3; p = 1/3; q = 2/3;   6 …1=3†n  …2=3†6 n Wn ˆ n   6 6 n ˆ  1=36 : 2 n v

Teilchen in li Kammer: 0 | 1

| 2 | 3 | 4 |5|6 | | | | | | |192 |240 |160 |60 |12 |1]

Aufenthaltswahr-

3±6´ [1´26 6´25 15´24 20´23 15´22 6´21 1´20]

scheinlichkeit =

3±6´ [64

Mit græûter Wahrscheinlichkeit befinden sich im kleineren Teilraum 2 der 6 Teilchen, d. h. in 1/3 des Gesamtvolumens befinden sich mit græûter Wahrscheinlichkeit auch 1/3 aller Teilchen. Eher findet man nur 1 als gerade 3, und eher keins als alle 6. Entropiezunahme beim Ûbergang vom unwahrscheinlichsten in den wahrscheinlichsten Zustand Wir benutzen die Boltzmann-Gleichung (Box 1.1). Fçr unser Beispiel mit 6 Teilchen und zwei gleich groûen Kammern gilt: 1. Wahrscheinlicher Endzustand, d. h. im Teilvolumen v = 1/2 V ist die Hålfte aller 6 Teilchen (Gleichverteilung):   6  2 6 ˆ 20=26 ˆ 20=64 : WA ˆ 3 2. Unwahrscheinlicher, von uns hergestellter Anfangszustand: Alle Teilchen sind im Teilvolumen v:   6  2 6 ˆ 1=26 ˆ 1=64 : WE ˆ 6 Entropien: SA = k ´ ln WA; SE = k ´ ln WE Entropie-Ønderung: DS = SE±SA = k ´ ln WE /WA = 1,38´10±23 J/K ´ ln 20 = 4,13 ´ 10±23 J/K . Dabei ist k die Boltzmann-Konstante; J = Joule; K = Kelvin. Die Entropie hat zugenommen.

1.5 Die ¹freie Energie Gª

Nach dem Tod kommt der Entropiesatz ungehindert zur Geltung (s. unter 1.6.3).

1.5 Die ¹freie Energie Gª

gilt, dass aus der Reaktion keine Energie mehr fçr Arbeitsleistungen herausgeholt werden kann, wenn sich die Reaktanden und die Endprodukte im ¹thermodynamischenª Gleichgewicht befinden. A+B !

1.5.1 Nur im Gefålle wird Energie verfçgbar Homogen verteilte Energie kann, wie die Erfahrung lehrt, keine Arbeit verrichten. In einem Behålter sei 1000 8C heiûes Gas, im benachbarten Raum herrsche 0 8C. Wir kænnen eine Turbine in das Verbindungsrohr zwischen beide Råume einbauen (Abb. 1.2); sie låuft und treibt einen Stromgenerator, bis Temperaturausgleich herrscht. (Wenn wir die Turbine Arbeit verrichten lassen und Energie mittels eines Generators ins Stromnetz schicken, wird am Ende, wenn die Temperatur ausgeglichen und die Turbine zum Stillstand gekommen ist, in beiden Behåltern die Temperatur nicht etwa 500 8C betragen, sondern betråchtlich unter 500 8C abgekçhlt sein.) Die Turbine liefe aber von vornherein nicht, wåre in beiden Behåltern 1000 8C heiûes Gas von gleichem Druck. Es mag noch soviel Energie in einem System stecken: sie nçtzt nichts, wenn kein Gefålle da ist. 1.5.2 In biochemischen Systemen gibt die ¹freie Energie Gª das nutzbare Energiegefålle, das ¹chemische Potentialª, an III. Die freie Energie und Enthalpie der Physiker Gibbs und Helmholtz In lebenden Zellen sind die Temperaturgradienten viel zu gering, als dass sie ækonomisch zum Verrichten von Arbeit, etwa zum Betreiben von Wårmekraftmaschinen, herangezogen werden kænnten. (Eine Mæglichkeit, wie die Zelle mittels des Tricks des Brownian ratchet ungerichtete thermische Molekçlbewegung in gerichtete umwandeln kann, diskutieren wir in Kap. 3.) Aber auch fçr Energieumsetzungen und Energieumwandlungen in biochemischen Reaktionen

C+D

Wenn man die Konzentrationen der Reaktanden A+B und der Endprodukte C+D am Anfang einer Reaktion und am Ende im Gleichgewichtszustand misst, låsst sich die Energie errechnen, die ± bei konstantem Druck und konstanter Temperatur ± im Organismus maximal fçr Arbeitsleistungen zur Verfçgung stehen kænnte. Aus diesem Wissen heraus schlug der amerikanische Physikochemiker Josiah Willard Gibbs (1839 ± 1903) eine Formel vor, die beide Hauptsåtze der Energetik miteinander verbindet und sich in der Praxis sehr bewåhrt hat (Hermann von Helmholtz hat 1882/83 einen åhnlichen Vorschlag gemacht). Diese Formel hebt die arbeitsfåhige Energie heraus (Box 1.1). Die arbeitsfåhige Energie, um die es uns geht, heiût nach der Formulierung von Gibbs freie Enthalpie (definiert fçr ein System mit gleichbleibendem Druck und konstanter Temperatur), nach der Formulierung von Helmholtz freie Energie (definiert fçr gleichbleibendes Volumen und konstante Temperatur). Da Druck- und Volumenånderungen in der Biochemie von untergeordneter Bedeutung sind, werden in der Praxis beide Begriffe synonym gebraucht, und man liest sehr oft den Mischbegriff ¹Gibbs'sche freie Energieª. 1.5.3 Bei allen Reaktionen, die, einmal in Gang gesetzt, von selbst weiterlaufen und fçr Arbeitsleistungen ausgenutzt werden kænnen, nimmt die freie Energie ab, die Entropie insgesamt zu Dies trifft jedenfalls fçr abgeschlossene Systeme zu, die sich der Physikochemiker der Einfachheit halber in seiner Gedankenwelt konstruiert. Die Formulierung ¹einmal in Gang gesetztª will darauf hinweisen, dass in der Biochemie die meisten

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1 Energie und Leben

Reaktionen nicht spontan in Gang kommen, weil der eine oder andere Reaktionspartner sich in einem trågen metastabilen Zustand befindet, d. h. in einem Zustand, welcher der Lage eines Steins in einer flachen Mulde am Bergabhang entspricht. Die Reaktion muss in aller Regel mittels eines Enzyms gestartet werden. Auch hilft ein Enzym einer zu geringen Reaktionsgeschwindigkeit auf die Sprçnge; es hat, wie es in der Wissenschaftssprache heiût, katalytische Funktion. In Hinblick auf die insgesamt umgesetzte Energiemenge ist es jedoch unerheblich, welchen besonderen Weg man zum Endziel einschlågt. Håufig kann nåmlich der Organismus je nach den Enzymen, die er einsetzt, den Weg çber diese oder jene Metaboliten wåhlen. Die Begriffe exotherm und endotherm, die sich auf die Enthalpie beziehen und angeben, ob im Kalorimeter eine Erwårmung (exotherm) oder Abkçhlung (endotherm) gemessen wird, mçssen nunmehr unterschieden werden von neuen Begriffen, die im Zusammenhang der freien Energie eingefçhrt wurden und fçr den Biochemiker ungleich wichtiger sind: l

l

exergonisch: freie, vom Organismus nutzbare Energie kommt aus der Reaktion heraus und kann anderswo verwertet werden; endergonisch: Arbeit muss investiert werden, damit die Reaktion ablåuft.

Es sei betont, dass die Gibbs'sche Energie nicht unbedingt arbeiten muss. Bleibt sie arbeitslos, verwandelt sie sich in Wårme und wird zur ¹entwerteten Energieª, z. B. wenn in den Wårmestrom zwischen zwei Råumen keine Turbine eingeschaltet wird. Und wenn in den Mitochondrien die zuvor in einem Raum angehåuften Protonen an den ATP-Synthesemaschinen vorbei in den Nachbarraum geschleust werden, wird aus dem Energiepotential des Protonengradienten Kærperwårme (s. Kap. 2 und 10; Abb. 10.10). Am Ende hat die Entropie zugenommen. Die Gibbs'sche Energie bestimmt also auch den Maximalwert, um den die Entropie steigen kænnte. Unser System stehe mit einem Wårmereservoir der Umgebung in Verbindung. Diesem Reservoir

kann die Wårmemenge DH zugefçhrt oder entnommen werden (die zugehærige Entropieånderung ist DH/T). Der Term TDS gebe den Betrag an, um den die Entropie des Systems selbst sich åndert, beispielsweise bei einer Vermischung, einer chemischen Reaktion oder bei einer Kristallisation (Phasençbergang). DG = DH±TDS (Box 1.1): eine schlichte Formel. Kann Physik so einfach sein? Wir tun gut daran, vorsichtig zu sein. Schon unsere Standardreaktion gibt Grund dazu (Zahlen pro Mol; nach Atkins 1987): Fçr C6H12O6 (Glucose) + 6 O2 ! 6 H2O + 6 CO2 gilt: ±2862 kJ (DG) = ±2808 kJ (DH) ± 54 kJ (TDS) S = 182,4 kJ; Standardtemperatur 25 8C = 298,15 K (Kelvin); (TDS) = 298,15 ´ 182,4 kJ = 54 kJ Die Betråge kænnen Råtsel aufgeben. Die Vorzeichenwahl, die der Physiker eingefçhrt hat, sollte nicht allzuviel Probleme machen. DG wird negativ, weil es bei Bilanzierungen çblich ist, die Differenz zwischen Endwert und Anfangswert zu bilden. Ein negatives Vorzeichen (exergonische Reaktion) gibt zugleich an, dass die freigesetzte Energie das System verlassen kann und zum Verrichten von Arbeit verfçgbar ist. Beispielsweise kænnte ±DG zur Freude des Physikers ein Messinstrument betreiben oder zum Nutzen des Organismus in ATP çberfçhrt werden. (Zum ¹Systemª zåhlt nur, was in der Formel aufgelistet ist. Wenn ich die ATP-Synthese nicht in die Formel mit aufnehme, ist ATP nicht im System, sondern gehært zur Umwelt!). Die erzeugte systeminterne Entropiezunahme TDS spiegelt sich in unserem Modellfall vor allem in der chaotischen Verteilung der Endprodukte CO2 und H2O wider, und mit diesen unordentlich nach der unkalkulierbaren Willkçr des Zufalls herumfliegenden Abfallprodukten låsst sich so leicht keine Maschine betreiben. Da diese Molekçle in der Formel enthalten sind, geht die auf diese Molekçle entfallende Entropiezunahme mit minus in die Bilanz ein. Wie steht es um DH? Zur oxidativen Verarbeitung der Glucose mçssen unter Energieaufwand

1.6 Lebewesen als offene Systeme und mit der Fåhigkeit zur Selbstorganisation

Bindungen gelæst werden; bei der Herstellung der Endprodukte wird Bindungsenergie frei. Insgesamt çberwiegt die freiwerdende Energie. Wir vermuten, diese sei im Term DH erfasst und werde als Wårme an die Umgebung abgefçhrt. Das ist richtig, aber offenbar nicht vollståndig richtig. Wir stehen vor einem Dilemma. Betragsmåûig stimmt die simple Gleichung schon, widerspricht aber augenscheinlich allem, was zuvor gesagt wurde. Bei unserem Modellbeispiel hat die arbeitsfåhige Energie einen hæheren Betrag als die Enthalpie, die im Kalorimeter gemessen wurde. Aber diese Enthalpie sollte ja, so hatten wir behauptet, nie vollståndig in Arbeit verwandelt werden kænnen. G aber soll arbeitsfåhige Energie sein; sie ist nun gar græûer als H. Woher diese wunderbare Energievermehrung? Die Erklårung ist zu finden, wenn man weiû, dass die Gibbs'sche Formel nicht fçr das abgeschlossene System konzipiert ist. Wir dçrfen und mçssen an das Wårmereservoir der Umgebung denken. Gemeinhin wird die Gesamtheit von System plus angeschlossenem Wårmereservoir als Universum bezeichnet. Das hat den Vorteil, dass man sich nicht viel Gedanken machen muss, wo dieses Reservoir lokalisiert ist und endet. Freilich muss das Gibbs'sche Reservoir eine vorgegebene Temperatur haben, bei vereinbarten Standardbedingungen 25 8C. Es muss also irgendwoher aus einem Wårmereservoir der Umgebung Energie in das System geflossen und als entwertete Energie irgendwohin ins ¹Universumª abgeflossen sein. Unsere Modellreaktion produziert nicht nur selber Wårme, sondern entnimmt dem Reservoir des ¹Universumsª zusåtzliche Wårme und verwandelt sie in Gibbs'sche freie Energie. Sie leitet dafçr Entropie des Betrages DH/T ins ¹Universumª ab. Was bedeutet nun aber ¹Universumª in der Wirklichkeit einer Zelle? Mit einiger Wahrscheinlichkeit das Zellwasser! Die Wassermolekçle, und all die gelæsten Molekçle, die sich dazwischen aufhalten, haben am Ende von ihrer eh geringen nutzbaren Energie noch einiges eingebçût und statt dessen ungerichtete Energie aufgenommen. Sie schwirren nun noch chaotischer herum als zu-

vor und strahlen einen Teil der Energie als Temperaturstrahlung an die weitere Umgebung ab. Alles, was in unserer Reaktionsformel nicht erscheint, ist Umgebung, auch das Zellwasser! Was fçr das mikroskopische intrazellulåre System des oxidativen Stoffwechsels gilt, gilt entsprechend fçr die ganze Zelle, gilt fçr das ganze Lebewesen. Lebende Systeme tauschen sich mit ihrer Umgebung aus.

1.6 Lebewesen als offene Systeme und mit der Fåhigkeit zur Selbstorganisation 1.6.1 Lebende Systeme sind ¹offene Systemeª, in die energiereiches Material (und Information) einflieût, und aus denen energiearme Endprodukte abflieûen Fçr den 2. Hauptsatz gilt, dass die Entropie nur in der Gesamtbilanz zunehmen muss: DSgesamt = DSSystem + DSUmgebung > 0 (nimmt zu) Gibbs definiert DG so (Box 1.1), dass fçr jede spontane Ønderung von G eine Zunahme der Gesamtentropie im ¹Universumª (System + Umgebung) gewåhrleistet ist: DG = DHSystem ± TDSSystem = ±TDSUniversum Der Physiker wird sich nicht festlegen lassen wollen, wo die Umgebung endet, wenn er die in die Umgebung abflieûende Entropie sucht. So formuliert er vorsichtshalber: Die Umgebung sei das ganze Universum. Daher die so anmaûend klingende Aussage, er sei sich gewiss, die Entropie des Universums werde erhæht. Nun ist es aber nicht eben leicht, die erzeugte Entropie auch quantitativ in der Umgebung aufzuspçren. Man mçsste das ganze Weltall absuchen. Das eben bewog Willard Gibbs, nur die im System selbst verbleibende Entropie separat zu benennen und quantitativ anzugeben. Was netto im Austausch mit der Umwelt herauskommt, errechnet sich aus dem Vergleich von DG und DH.

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1 Energie und Leben

Im Einzelnen braucht uns nicht zu interessieren, was in und mit der Umgebung passiert. Wir mçssen uns aber stets vor Augen halten, dass die Umgebung mitwirkt; sonst sind viele Phånomene ± wohlbekannte des Alltags wie auch verblçffende ± nicht erklårbar. 1.6.2 Ob eine Reaktion exergonisch oder endergonisch ist, hångt auch von der Umgebung ab Mitunter ist es çberraschend, wie man zu einer exergonischen Reaktion kommt. Manche Reaktionen entziehen der Umwelt Wårme und kçhlen den Raum, ohne dass ein Kompressor arbeiten mçsste. Beispielsweise kçhlt Wasser ab, wenn Kochsalz darin gelæst wird (exergonischer aber endothermer Prozess). Andererseits entsteht manchmal ± scheinbar im Widerspruch zum Entropiesatz ± durch Energieentzug Ordnung. Beispielsweise bilden sich unterhalb einer kritischen Temperatur entropiearme Eiskristalle, wenn dem Wasser Wårmeenergie entzogen wird und |TDS| < |DH| ist. (Wenn wir mit Kåltemaschinen Eis erzeugen, fçhren wir diese Entropie als Wårme ab; in der Wolke wird Entropie als Wårme in die Atmosphåre entlassen.) Es kommt auf die Gesamtbilanz im Energieaustausch mit der Umgebung an. Was fçr einzelne Reaktionen gilt, gilt auch fçr komplexe Systeme, sei es eine Zelle, sei es ein Lebewesen. 1.6.3 Lebende Systeme mçssen unablåssig Energie verbrauchen, um dem Entropietod zu entgehen und ¹Negentropieª zu sammeln In einem lebenden System kann (wie bei der Bildung von Eiskristallen) die Entropie abnehmen und sich der Ordnungsgrad erhæhen, wenn in der Umgebung entsprechend Unordnung erzeugt wird. In der Embryonalentwicklung kann, auch wenn noch keine Nahrung aufgenommen wird, eine komplexe Ordnung auf Kosten hochgeordneter, makromolekularer und energiereicher Dottermaterialien aufgebaut werden. Die freie, ar-

beitsfåhige Energie nimmt dabei aber unaufhaltsam ab. Daher muss sich das Lebewesen schlieûlich neue Nahrung beschaffen, um neue nutzbare Energie zu gewinnen. Wenn wir unser ganzes Leben lang unaufhærlich arbeitsfåhige Energie in Form von Nahrung aufnehmen mçssen, so auch deshalb, weil die hochkomplexe Ordnung des Kærpers nur durch laufende Regeneration aufrecht erhalten werden kann. Proteine beispielsweise denaturieren im Laufe der Zeit, werden dadurch funktionsuntauglich und mçssen durch neu synthetisierte ersetzt werden. Es ist evident: der so theoretisch und abstrakt anmutende Entropiesatz ist von fundamentaler Bedeutung fçr Lebewesen, die ja schlieûlich offene Systeme sind. Nur in Eihçllen eingeschlossene tierische Embryonen, sowie pflanzliche Samen oder Pollenkærner sind vorçbergehend annåhernd geschlossene Systeme; spåtestens mit dem Schlçpfen oder Auskeimen des jungen Lebens beginnt die Auseinandersetzung mit der Umwelt. Embryonale Entwicklung bedeutet Musterbildung, Differenzierung, geordnetes Wachstum, bedeutet Zunahme an hochkomplexer Ordnung. Der werdende Organismus sammelt ¹Negentropieª. Er muss dafçr freie Gibbs'sche Energie einsetzen; er wird Entropie an die Umgebung abfçhren: als Wårme und in Form niedermolekularer Stoffwechselendprodukte (wie CO2, NH3), die sich nicht gern einer Ordnung fçgen und ziellos in der Umwelt herumvagabundieren (Abb. 1.3). 1.6.4 In lebenden Systemen erhalten Flçsse von Energie Ordnung Die in der Entwicklung eines Lebewesens geschaffene innere Ordnung ist labil. Viele hoch geordnete Strukturen zerfallen, ihrem Entropietrieb folgend, wenn nicht ståndig dagegen angearbeitet wird. Auch wer nicht arbeitet, muss allein um das Leben aufrecht zu erhalten, ståndig Energie aufbringen. Man spricht von einem Grundumsatz (s. Kap. 2). Da der innere Energievorrat beschrånkt ist, muss man Nahrung zu sich nehmen.

1.6 Lebewesen als offene Systeme und mit der Fåhigkeit zur Selbstorganisation

Abb. 1.3. Tierische Lebewesen als offene Systeme. Tiere nehmen Nahrung mit hoher arbeitsfåhiger Energie und geringer Entropie auf, fçhren im Gegenzug Entropie, d. h. entwertete Energie, an die Umgebung ab. Entropie wird abgefçhrt durch die Wårme, die das Lebewesen abstrahlt, sowie durch niedermolekulare Stoffwechselendprodukte, die sich in der Umwelt gleichfærmig verteilen. Die in den Lebewesen, in den Pflanzen

Lebende Systeme mçssen unablåssig von Energie durchstræmt werden (Abb. 1.3). Dies gilt fçr groûe Úkosysteme ebenso wie fçr einzelne Lebewesen und einzelne Zellen. Da in tierischen Organismen Energie nur in Form organischer Substanz einstræmen kann, sind sie auch von Materie durchstræmt. Sie sind Systeme im Flieûgleichgewicht. In der Energetik muss man sich freilich wegen der Komplexitåt der Ereignisse auf die Untersuchung einfacher Flieûgleichgewichte beschrånken. Wir finden Durchfluss-Systeme schon auf der Ebene einfacher biochemischer Reaktionen.

oder im Tier befindlichen organischen (Makro-)Molekçle haben eine geringere Entropie, d. h. geringere Freiheitsgrade in ihrer Beweglichkeit, und ein hæheres Maû an innerer Ordnung als die niedermolekularen Stoffwechselendprodukte. Umgekehrt verhålt es sich mit der arbeitsfåhigen Energie; sie ist in den Stoffwechselprodukten nahezu Null, betråchtlich jedoch in der Nahrung und im Tier selbst

1.6.5 Die Besonderheiten der Flieûgleichgewichte: es kænnen sogar Oszillatoren hergestellt und Muster erzeugt werden Da Organismen immer irgendwo in irgendwelchen Zellkompartimenten Energie verfçgbar haben und einsetzen mçssen, werden viele Stoffwechselreaktionen als Flieûsysteme eingerichtet: Es werden unablåssig frische Reaktanden herangefçhrt und Produkte abgefçhrt. Bei konstanten Zu- und Abflçssen werden sich Flieûgleichgewichte einstellen (Abb. 1.4). Solche dynamischen Systeme haben ihre Besonderheiten: l

Es kann ihnen beståndig in effizienter Weise Energie zur Verrichtung von Arbeit entnommen werden.

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1 Energie und Leben

Abb. 1.4. Modell eines Flieûgleichgewichts. Die Gleichgewichtslage (Hæhe der Wasserspiegel) wird vom Verhåltnis der ein- und ausstræmenden Wassermengen, aber auch vom Úffnungsgrad des Hahns im Verbindungsrohr zwischen den beiden Tanks, bestimmt. Der Úffnungsgrad dieses Hahns symbolisiert die Aktivitåt eines Enzyms. Werden Zufuhr und Abfuhr gestoppt, stellt sich das ¹thermodynamische Gleichgewichtª ein, das im vorliegenden Modell erreicht ist, wenn beide Flçssigkeitsspiegel gleich hoch sind. Auf diese thermodynamische Gleichgewichtslage nimmt das Enzym keinen Einfluss

l

l

Sie bleiben steuerbar. Ein Schiff, das im reglosen Wasser (im thermodynamischen Gleichgewicht) liegt, reagiert nicht auf das Steuer, wohl aber ein Schiff, das in einer Stræmung liegt. Die Lage eines Flieûgleichgewichts ist nicht nur vom Zu- und Abfluss bestimmt, sondern auch vom Aktivitåtszustand der beteiligten Enzyme.

Jeder Biologie- und Biochemiestudent lernt: Enzyme gestatten es, dass eine im Grunde exergonische, aber irgendwie gehemmte Reaktion auch tatsåchlich ablaufen kann. Das Enzym erniedrigt die Aktivierungsenergie, die zur Ûberwindung des metastabilen Zustandes eines Reaktanden aufgebracht werden muss. Doch wçrden Enzyme die Gleichgewichtslage nicht beeinflussen. Dies gilt fçr Prozesse, die dem ¹thermodynamischen Gleichgewichtª zulaufen, durchaus; doch ist das

thermodynamische Gleichgewicht fçr abgeschlossene Systeme definiert. Die Aussage gilt jedoch nicht fçr Prozesse im Flieûgleichgewicht, wenn beståndig energiebeladenes Ausgangsmaterial zuflieût und energieentladene Produkte abflieûen. Das auswendig Gelernte darf nicht irrefçhren. Ein Modell fçr ein Flieûgleichgewicht ist in Abb. 1.4 skizziert. Symbol der Enzymaktivitåt ist der Úffnungszustand des Hahns zwischen beiden Flçssigkeitsbehåltern. Dieser Úffnungszustand beeinflusst sehr wohl die Lage der Flçssigkeitsspiegel in den miteinander verbundenen Behåltern. Ein Flieûgleichgewicht erreicht nie ganz das thermodynamische Gleichgewicht, das sich erst einstellen wçrde, wenn der Zufluss in das Behåltersystem und ebenso der Abfluss geschlossen wçrden. Wenn nun der Úffnungszustand zwischen den Behåltern, der Aktivitåtszustand der Enzyme also, in besonderer Weise geregelt wird, kann es sein, dass die Flçssigkeitsspiegel (Flieûgleichgewichtslagen) in den Behåltern periodisch schwanken (Abb. 1.5). Die besondere Regelungsweise ist gegeben, wenn eine positive und eine negative Rçckkoppelung passend miteinander verschrånkt werden. Positive Rçckkoppelung heiût in der Chemie und Biochemie Autokatalyse. Im Flieûsystem !A!B!C!D! færdere die Substanz C ihre eigene Produktion, beispielsweise indem sie das Enzym, das ihre Produktion katalysiert, in einen gesteigerten Aktivitåtszustand versetzt. Je mehr Substanz C zugegen ist, desto effizienter wird weiteres B in C umgesetzt. Es kåme zu einer explosiven Produktion von C, wçrden dem Anstieg keine Grenzen gesetzt. Eine solche Hemmung soll vom Produkt D ausgehen. Das Produkt D kann im Sinne einer negativen Rçckkoppelung (Endprodukthemmung) die Bildung von B wieder zurçckdrången. Bei passender Zeitverzægerung kann es zu periodischen Schwankungen in der Konzentration von B und C kommen. Abb. 1.5 will ein anschauliches Modell entwerfen.

1.6 Lebewesen als offene Systeme und mit der Fåhigkeit zur Selbstorganisation

1.6.6 Gekoppelte Reaktionen: ein herabsausendes Gewicht zieht ein anderes hoch; eine exergone Reaktion treibt eine endergone Im groûen Úkosystem Erde ist die energiegewinnende, endergone Assimilation der Pflanzen gekoppelt mit der energieverbrauchenden, exergonen Dissimilation, wobei die Pflanze den in der Assimilation erwirtschafteten Gewinn mit den heterotrophen Organismen teilen muss. Was im Groûen gilt, gilt im Kleinen. In jeder Zelle werden energieliefernde mit energieverzehrenden Reaktionen gekoppelt. In der tierischen und menschlichen Zelle, die keine Chloroplasten enthalten, muss nun aber die Dissimilation, d. h. der Katabolismus, umgekehrt den Anabolismus unterhalten.

! Abb. 1.5. Modell eines oszillierenden Systems mit periodisch ansteigenden und abfallenden Flçssigkeitsspiegeln. Die Oszillationen der Flçssigkeitsspiegel werden durch Verschrånkung einer Regelung mit positiver und einer Regelung mit negativer Rçckkoppelung bewirkt. Die positive Rçckkoppelung (Autokatalyse) ist dargestellt durch den Zufuhrregler des dritten, mit FDP gekennzeichneten Tanks. Beim Hochsteigen zieht der Schwimmer çber ein starres Gestånge einen Schieber im Zufuhrrohr hoch und erweitert dadurch die Zufuhræffnung. Ein steigender Flçssigkeitsspiegel im dritten Tank erhæht folglich den Zufluss zu diesem Tank; dies ist eine positive Rçckkoppelung. Die negative Regelung (Produkthemmung) geschieht an der Zufuhr zum zweiten Tank (F-6-P). Wåhrend der Schwimmer im dritten Tank beim Hochsteigen die Zufuhr zum dritten Tank æffnet, verschlieût er çber ein bewegliches Hebelwerk die Zufuhr zum zweiten Tank. Eine elastische Feder sorgt fçr eine zeitliche Verzægerung. Werden die Parameter (Zufluss, Abfluss, Zeitverzægerung) richtig gewåhlt, schwanken die Flçssigkeitspegel im zweiten und dritten Tank im Gegentakt. Das Modell symbolisiert einen realen Vorgang am Beginn der Glykolyse. F-6-P: Fructose-6-Phosphat; FDP: Fructose-1,6-Diphosphat; GAP: Glycerinaldehyd-Phosphat. Die Perioden liegen hier im Bereich von Minuten

In jeder lebenden Zelle werden unzåhlig viele Reaktionen so miteinander gekoppelt, dass ein exergoner Prozess einen endergonen antreibt. Freilich muss die Gesamtreaktion insgesamt exergonisch sein.

Ein Perpetuum mobile hat auch die lebende Natur noch nicht erfunden. Ein Beispiel fçr eine gekoppelte Reaktion ist die ATP-Synthese in der Endstrecke der Glykolyse (Ûbertragung von Phosphat von Phosphoenolpyruvat PEP auf ADP, zugleich ein Beispiel einer Substratstufen-Phosphorylierung; Abb. 1.6, Abb. 2.1). Auch gekoppelte Reaktionen sind im Organismus vielfach als flieûende Systeme gestaltet, oder andersherum betrachtet: Es werden viele einzelne Durchfluss-Systeme miteinander vernetzt und zu komplexen Gesamtsystemen verbunden. 1.6.7 Dem Chaos kænnen Ordnung und Muster entwachsen Der Zweig der physikalischen Chemie, der sich mit Flçssen in offenen Systemen befasst, wird oft ¹irreversible Thermodynamikª genannt. Physikochemiker, die sich hiermit befassen (z. B. Ilja Prigogine, Hermann Haken), wissen Interessantes

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1 Energie und Leben

Abb. 1.6. Unvollståndige Ûbertragung von Energie bei einer biochemischen Reaktion. Das Modell symbolisiert zugleich die Koppelung einer exergonen mit einer endergonen Reaktion. Bei der exergonen Reaktion wird ein Gefåû entleert, bei der endergonen ein Gefåû gefçllt. Die Kapazitåt des zweiten Gefåûes reicht nicht aus, alle Energie aufzufangen; der Rest geht als Wårme verloren. Exergone Reaktion (Beispiel): Dephosphorylierung von Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Pyruvat. Endergone Reaktion: Phosphorylierung von ADP zu ATP

mie). Die Frequenz der Oszillationen und die Formen der Muster sind jedoch in hohem Maûe von den Anfangskonzentrationen der beteiligten Reaktionspartner und von åuûeren Rahmenbedingungen abhångig, und der Zauber kommt rasch zum Stillstand. Lebewesen haben jedoch durch zweckmåûige Verschrånkung und Regelung ihrer inneren Prozesse und durch Zugriff auf gespeicherte genetische Information die Fåhigkeit, sich in Prozessen der Selbstorganisation auf ein systemimmanent vorprogrammiertes Ziel hin zu entwickeln und dabei an Komplexitåt zu gewinnen. Sie gewinnen im Verlauf ihrer Entwicklung auch die Fåhigkeit, Umweltgegebenheiten als Quelle weiterer Information (¹Reizeª) zu nutzen und zweckmåûig, d. h. systemerhaltend, auf die momentanen Umweltbedingungen zu reagieren. Und sie haben die Fåhigkeit, sich zu reproduzieren.

1.7 Wirkungsgrade und ihre ækonomischen und ækologischen Konsequenzen

(wenn auch oft nicht leicht Verståndliches) zu berichten:

!

Systeme, die sich noch fernab vom Gleichgewicht befinden, kænnen im Zuge der Energieumsetzungen råumliche und zeitliche Muster erzeugen.

Råumliche Muster sehen wir in der Embryonalentwicklung entstehen. Zeitliche Muster erfahren wir z. B. als periodische Oszillationen in der Konzentration von Reaktanden oder (Zwischen-)Produkten. Ein Beispiel finden wir bei den ersten Schritten der Glykolyse (Abb. 1.5). Die Glykolyse als solche wird in Kurzform im Kapitel 2 vorgestellt. 1.6.8 Selbstorganisation und Information Auch rein anorganisch-chemische Prozesse kænnen im Reagenzglas Oszillationen in der Konzentration einzelner Substanzen, oder in der Petrischale råumliche Konzentrationsmuster hervorbringen, beispielsweise in Form sich ausbreitender konzentrischer Wellen (Beloussov-Zhabotinski-Reaktion; s. Literatur der Physikalischen Che-

1.7.1 Wårme, bei vermeintlich schlechtem Wirkungsgrad produziert, muss nicht nutzlos sein Bei gekoppelten Reaktionen geht meistens mehr Energie in Form von Wårme verloren, als es der 2. Hauptsatz der Thermodynamik verlangt. Warum dies so ist, wird wieder am Beispiel der Phosphatçbertragung von PEP auf ADP erlåutert: Aus Grçnden seiner chemischen Struktur kann das entstehende ATP nicht alle Energie aufnehmen, die beim Abkoppeln von Phosphat von PEP frei wird (Abb. 1.6). Die als çberschçssige Wårme aus dem ATP-Gefåû çberlaufende Energie muss nun freilich nicht nutzlos sein.

!

Wårme kann die einzelne Reaktion, und letztlich alle Lebensprozesse, erheblich beschleunigen, weil erhæhte Temperatur auch beschleunigte Diffusion bedeutet.

Molekçle, die sich rascher bewegen, treffen eher einen Reaktionspartner oder durchdringen ra-

1.7 Wirkungsgrade und ihre ækonomischen und ækologischen Konsequenzen

scher eine permeable Membran als langsame Molekçle. Diese Zusammenhånge drçcken sich aus in der RGT-Regel: Reaktions-Geschwindigkeits-Temperatur-Regel, auch als van t'Hoff 'sche Regel bekannt. Misst man die Geschwindigkeit einer Reaktion bei einer Basistemperatur T0 und dann nochmals bei einer um 10 8C hæheren Temperatur T0+10, dann registriert man in der Regel bei der zweiten Messung eine um das 2- bis 3fach hæhere Geschwindigkeit als bei der Basistemperatur. V bei T0‡10 ˆ 2 bis 3 V bei T0 Wollte man den Wirkungsgrad von Arbeitsprozessen, z. B. die Umwandlung chemischer Energie in elektrische oder mechanische Energie, verbessern, mçsste die Betriebstemperatur gesenkt werden, was jedoch auf Kosten der Arbeitsgeschwindigkeit ginge. Lebewesen, insbesondere homoiotherme (= isotherme) wie die warmblçtigen Vægel und Såuger, verzichten auf hæchsten Wirkungsgrad zugunsten von Geschwindigkeit. Es wird ein optimaler Kompromiss gesucht. 1.7.2 Verluste bei Energieumwandlungen und der Eigenbedarf der Organismen an Energie haben erhebliche ækologische und ækonomische Konsequenzen Ob nun eine Wårmebildung erwçnscht ist oder als unvermeidbarer Verlust in Kauf genommen werden muss, sie beeinflusst ganz erheblich die Energiebilanz in Úkosystemen. Betrachten wir eine Nahrungskette (Abb. 1.7) bestehend aus Pflanzen, die Sonnenenergie einfangen, als Primårproduzenten, Pflanzenfressern (Herbivoren oder Phytophagen), Carnivoren I. Ordnung (Råuber der Herbivoren), Carnivoren II. Ordnung (Råuber der Råuber) etc. Zunåchst ist schon die Photosynthese erstaunlich unergiebig. Dies vor allem des-

halb, weil die Pflanzen fast nur orangerotes Licht verwerten kænnen (weshalb sie grçn aussehen; s. Kap. 22, Box 22.2). Dann muss jedes Lebewesen erst einmal den græûten Teil der gewonnenen Energie zum eigenen Lebensunterhalt einsetzen. Dabei wird ± nach einem odysseeischen Weg durch vielerlei Arbeitsprozesse ± schlieûlich die meiste Energie als Wårme in die Umwelt abgestrahlt. Nur ein kleiner Teil ist in den organischen Molekçlen enthalten, die im Moment des Gefressenwerdens die nutzbare Masse der Pflanze oder eines Beutetieres ausmachen. Nur ein kleiner Teil kann folglich in die nåchste Trophiestufe weiterwandern. Es gilt eine grobe Faustregel, dass maximal 1/10 der aufgenommenen Energie, im Regelfall eher nur 1/100 bis 1/1000, in der folgenden Trophiestufe nutzbar werden kann (Abb. 1.7). Aktuelle Berechnungen sind extrem schwierig, genaue Berechnungen unmæglich. Ein simples Gedankenexperiment macht dies einsichtig: Man wird im Alter von 20 Jahren oder erst im Alter von 80 Jahren vom Læwen gefressen. Als Greis håtte man vor diesem Zeitpunkt, da einem der Læwe verspeist, selber etwa viermal soviel Nahrung wie als Jugendlicher zu sich genommen, bestçnde aber vielleicht nur noch aus Haut und Knochen. Wie soll man in einem komplexen ækologischen Netzwerk zu zuverlåssigen Durchschnittswerten kommen? Gewiss ist jedenfalls, dass nur ein kleiner Bruchteil der Energie die nåchste Trophiestufe erreicht. Entsprechend ist die Gesamtbilanz des Energietransfers umso schlechter, je långer die Nahrungskette ist. Der Úkologe berichtet, dass die geringe Ausbeute kompensiert werden muss durch Masse (Úkopyramiden; Abb. 1.8). Je hæher die Position eines Råubers in der Nahrungskette ist, desto mehr ist von der ursprçnglich verfçgbaren Primårproduktion schon verloren, bevor der Råuber çberhaupt zugreifen kann. Dies muss der Råuber durch die indirekte Beanspruchung besonders umfangreicher Primårresourcen kompensieren. Es ist billiger, Graskarpfen zu zçchten als Lachse oder Forellen.

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1 Energie und Leben Abb. 1.7. Energieflçsse in einem Úkosystem. Von der Sonnenenergie, die pro m2 einer Seeoberflåche einstrahlt, finden sich nach der hier gezeigten Schåtzung 1,2% in der verzehrbaren pflanzlichen Biomasse wieder. Der Rest der eingestrahlten Sonnenenergie ist schon vor der Absorption durch Pflanzen in Wårme verwandelt worden oder verwandelt sich in Wårme, nachdem die Energie das Leben der Pflanze unterhalten hat. Beim Ûbergang zu den folgenden Trophiestufen geht wiederum der græûte Teil der Energie verloren. Die angegebenen Schåtzwerte gehen auf eine Untersuchung des Quellsees Silver Springs in Florida durch Odum (1957, Referenz in Altenkirch) zurçck

1.7 Wirkungsgrade und ihre ækonomischen und ækologischen Konsequenzen Abb. 1.8. Úkopyramide im marinen Lebensraum. An ihrer Spitze schwimmt hier, die letzte Trophiestufe repråsentierend, ein Orca (Killerwal). Regeln: Biomasse und Artenvielfalt nehmen nach oben ab, die Kærpergræûe nimmt zu

Auf einem Hektar Ackerflåche låsst sich etwa l

achtmal soviel Sojaprotein und

l

doppelt soviel Milchprotein

als Fleischprotein erzeugen.

Es ist ækonomisch und umweltschonend zugleich, Vegetarier zu sein.

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1 Energie und Leben

Zusammenfassung des Kapitels 1 Das Leben der Tiere wird ermæglicht durch Sonnenenergie, die in den Nahrungsmitteln als Innere Energie U gespeichert ist. Diese Energie U kann teilweise zu Arbeitsleistungen A herangezogen oder vollståndig als Wårmeenergie Q freigesetzt werden. Wird sie (kçnstlich) vollståndig als Wårmeenergie freigesetzt, spricht der Physikochemiker von (Reaktions-)Enthalpie H, der Lebensmittelchemiker vom Kaloriengehalt der Nahrung. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verlangt, dass diese innere Energie teilweise als entwertete, nicht arbeitsfåhige Entropie in Form einer statistischen Gleichverteilung von Wårme und niedermolekularen Stoffwechselendprodukten erscheinen muss. Bei Lebewesen als offenen Systemen flieût diese Entropie TDS in die Umgebung ab. Dennoch kann im offenen System der Zelle im Einzelfall die arbeitsfåhige Energie G (Gibbs'sche oder freie Energie) græûer als die Enthalpie H sein, wenn bei einer chemischen Reaktion Wårmeenergie aus dem Reservoir der Umwelt aufgenommen wird. Dies ist bei der biologischen Oxidation der Glucose der Fall: C6H12O6 + 6 O2 ? 6 H2O + 6 CO2 ±2862 kJ (DG) = ±2808 kJ (DH) ± 54 kJ (TDS)

Im Organismus werden exergone Reaktionen, die arbeitsfåhige Energie liefern (±DG), mit endergonen, in die Energie investiert werden muss (+DG), gekoppelt, und Flieûgleichgewichte sorgen dafçr, dass das Leben nicht vorschnell zum (thermodynamischen) Stillstand kommt. Insgesamt muss ein tierischer Organismus, um laufend Arbeitsleistungen erbringen und eine innere Ordnung (Negentropie) aufrechterhalten zu kænnen, immer wieder Energie in Form von Nahrung zu sich nehmen und mehr Entropie an die Umwelt abfçhren, als er Energievorråte und Negentropie ansammeln kann. Die Wirkungsgrade bei Arbeitsleistungen liegen im Regelfall bei 40±60%. Die mit dem Stoffwechselgeschehen unweigerlich gekoppelte Wårmeproduktion ist jedoch insoweit nicht nutzlos, als sie nach der RGT-(ReaktionsGeschwindigkeits-Temperatur-)Regel beitrågt, das Stoffwechselgeschehen zu beschleunigen. In den Trophiestufen der Úkosysteme kann jeweils nur ein kleiner Teilbetrag der Energie in Form von Nahrung in die nåchste Stufe weiterflieûen, den græûten Teil der aufgenommenen Energie verbraucht jedes Lebewesen selbst.

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Energieumsetzung und Energiehaushalt Wie Lebewesen chemisch gespeicherte Energie freisetzen, um Arbeit zu leisten oder Wårme zu erzeugen

2.1 Grundlegende Prozesse des zentralen Energiestoffwechsels der Zelle 2.1.1 Alle energiereichen Nåhrstoffe werden in einen gemeinsamen katabolen Abbauweg eingespeist So vielgestaltig Lebewesen sind, so mannigfach ihre besonderen Fåhigkeiten, die sie in der Evolution erworben haben, um ihre besondere Nische in Úkosystemen zu nutzen, so haben sie doch alle auch eine Fçlle gleicher Probleme zu bewåltigen. Beispielsweise mçssen alle ihre ATP-Akkus nachladen. Zum Glçck fçr die Studierenden, die fçr Prçfungen lernen mçssen, benutzen fast alle Lebewesen die gleichen zentralen Stoffwechselwege, um Energie aus Molekçlen herauszuholen und in die ATP-Akkus zu leiten. Welche primåre Energiequelle auch in Angriff genommen wird, ob l

Kohlenhydrate (Stårke, Glykogen, Zucker verschiedener Sorten),

l

Lipide (Triglyceride = Fette, Úle aus Speicherzellen, Phospholipide aus Zellmembranen),

l

Proteine, falls genug davon zur Verfçgung stehen,

l

Nucleinsåuren, die freilich recht energiearm sind,

alle diese Materialien werden im Intermediårstoffwechsel so zerhackt und aufbereitet, dass die Bruchstçcke in eine zentrale Kaskade des Energie freisetzenden Katabolismus eingeschleust werden kænnen (Abb. 2.1).

Die zentrale Kaskade des Katabolismus umfasst als Teilprozesse l

die Glykolyse, die im freien Cytoplasma (Cytosol) vonstatten geht,

l

den Citratcyclus und die angeschlossene

l

Atmungskette, die beide in den Mitochondrien ablaufen.

Glykolyse und Citratcyclus verwandeln niedermolekulare Substanzen Schritt fçr Schritt in andere, noch kleinere Molekçle, wobei einigen Zwischenprodukten (Metaboliten) vor allem im Citratcyclus Elektronen entzogen werden, was in der Sprache der Chemie Oxidation heiût. Jeder Biologiestudent bekommt diese Prozesse in Vorlesungen vorgefçhrt und sie sind im Detail in allen Lehrbçchern der Biochemie und Zellphysiologie geschildert. Hier soll es darum gehen, einige zentrale Prinzipien deutlich zu machen. 2.1.2 Die wichtigsten Triebkråfte der zellulåren Arbeit sind Elektronentransfer (Oxidation), Phosphatçbertragung und Entropievermehrung Immer wieder treten in der zentralen katabolischen Kaskade Teilprozesse auf, bei denen bei åuûerlicher Betrachtung einem Molekçl Wasserstoffatome entzogen werden. Es muss betont werden: Wasserstoffatome H , nicht Wasserstoffionen H+. Es kommt hier nicht so sehr auf den Wasserstoffkern, das Proton H+, an, sondern auf Bindungselektronen. Das wird schon deutlich, wenn wir einen Einzelvorgang betrachten. Der Wasserstoff, den ein Metabolit abliefert, wird von einem ¹Wasserstofftrågerª çbernommen. Im Regelfall ist dies

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt Abb. 2.1. Energie freisetzende Stoffwechselwege der eukaryontischen Zelle

NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid), ein chemischer Verwandter des Nucleotids Adenosin (Abb. 2.2). NAD+ çbernimmt als elektronenhungriges Molekçl von zwei Wasserstoffatomen (H ) die beiden Bindungselektronen, muss dabei aus chemischen Grçnden auch einen Kern çbernehmen, kann den anderen aber als Proton H+ entlassen: NAD+ + Substrat-H2 ! NAD : H + H+. Der Einfachheit halber wollen wir annehmen, das abdissoziierende Proton bleibe weiter mit NAD assoziiert und schreiben NAD : H2. (Das abdissoziierte Proton verschwindet in der riesigen Menge bereits im Wasser herumschwirrender Protonen. Wenn man Bilanzen ziehen will, holt man es gedanklich wieder herbei.) Wenn spåter in der Atmungskette die beiden von NAD çbernommenen Elektronen bergab

zum nåchsten Molekçl purzeln, fållt auch der zweite Kern als Proton H+ ab: NAD : H (+ H+) ! NAD+ + 2 e + 2 H+, oder verkçrzt: NAD : H2 ! NAD+ + 2 e + 2 H+. Die Elektronen werden dann bergab von einer Stufe zur anderen stçrzen. Dasjenige Molekçl, das die Elektronen verliert, wird oxidiert, das Molekçl, auf das die Elektronen herunterspringen, wird reduziert.

!

Faustregel: Wird ein Molekçl oxidiert (wobei es Elektronen abgibt oder Sauerstoff aufnimmt), wird Energie frei; das oxidierte Produkt ist energieårmer. Wird ein Molekçl reduziert (wobei es Wasserstoff mit seinen Elektronen oder Elektronen allein aufnimmt), nimmt es Energie auf; das reduzierte Produkt ist energiereicher.

2.1 Grundlegende Prozesse des zentralen Energiestoffwechsels der Zelle Abb. 2.2. Energie-çbertragende Molekçle: ATP und NAD. Sowohl ATP wie NAD besitzen eine Adenosingruppe. Der Nicotinamidring des NAD hat in reduzierter Form, d. h. nach Bindung eines Wasserstoffatoms und der Ûbernahme des Elektrons von einem weiteren Wasserstoffatom, ein gebundenes H mehr und eine Doppelbindung weniger als die oxidierte NAD+-Form

Energie ist hier im Sinne der arbeitsfåhigen freien Energie (freie Enthalpie) G gemeint, die ja im Wesentlichen intramolekulare Bindungskråfte widerspiegelt. Neben NAD+ benutzt die Zelle NADP+. l

l

NAD+ benutzt die Zelle fçr katabole Zwecke, um çber NAD : H2 Elektronen der Atmungskette zuzufçhren; NADP+ benutzt sie fçr anabole Zwecke, um Substanzen zu reduzieren, d. h. um sie mit Wasserstoff (inklusive seinem Elektron) anzureichern und damit das Energiepotential der betreffenden Substanz zu vergræûern.

Vor allem in der botanischen Zellphysiologie werden NAD : H2 und NADP : H2 gerne als Reduktionsåquivalente zusammengefasst. In beiden Fållen kommt es zu Elektronençbertragung. 2.1.3 Auch beim Læsen und Verknçpfen von chemischen Bindungen wird Energie frei oder aufgenommen Auch beim Læsen von kovalenten Bindungen oder der Herstellung neuer Bindungen kann freie Gibbs'sche Energie von einem Molekçl auf das andere çbergehen. Es muss ein geeigneter Kopp-

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

lungsmechanismus eingeschaltet sein. Der mit Abstand bedeutsamste Energie çbertragende Kopplungsmechanismus ist die Phosphatçbertragung. Vermittler bei solchen Reaktionen ist meistens ATP (Adenosintriphosphat). 2.1.4 ATP speichert und çbertrågt Energie mittels eines ¹angespanntenª Phosphates Im ATP (Abb. 2.2) herrschen ungewæhnliche Verhåltnisse. Drei Phosphatgruppen direkt aneinandergehångt bedeutet eine enorme Ballung von negativer elektrischer Ladung, die von benachbarten Sauerstoff-Funktionen getragen werden. Wenn das dritte und letzte Phosphat an ADP angekoppelt wird, muss gewissermaûen eine Springfeder (¹energiereicheª Anhydridbindung) zusammengedrçckt werden. Das dritte Phosphat springt leicht wieder ab, wobei Energie frei wird. Das dritte Phosphat kann aber auch auf einen anderen Akzeptor çberspringen (s. nachfolgender Abschnitt 2.1.6). 2.1.5 Es gibt zwei Mæglichkeiten der ATP-Synthese: gelegentliche Substratstufen-Phosphorylierung im Cytosol und protonengetriebene Massenproduktion in den ATP-Synthasen der Mitochondrien Das Laden eines ATP-Akkus, die Synthese von ATP aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat, kann çber zwei ganz unterschiedliche Energie liefernde Mechanismen geschehen: 1. Substratstufen-Phosphorylierung (auch Substratketten-Phosphorylierung genannt). ADP kann gelegentlich von einem organischen Molekçl, das selbst eine Phosphatgruppe trågt, dessen Phosphat çbernehmen, falls ein ausreichendes Energiegefålle vorliegt. Eine Substratkettenphosphorylierung finden wir beispielsweise gegen Ende der Glykolyse, wenn PEP (Phosphoenolpyruvat) vorliegt (Abb. 2.3). Phosphat springt von PEP ab und hångt sich an ADP; es entsteht ATP.

2. Elektronentransport-Phosphorylierung çber die protonengetriebene ATP-Synthase. In Chloroplasten und ebenso in Mitochondrien findet man in Membranen eingelassene, aus mehreren Proteinen zusammengebaute ATPSynthesemaschinen. Sie sind Turbinen, die von einem Protonengradienten angetrieben werden. Damit solche Maschinen laufen kænnen, mçssen erst auf der einen Seite der Membran Protonen (H+) angereichert werden. Wirksam unterstçtzt wird ein solches Protonengefålle, wenn auf der anderen Seite der Membran Hydroxylionen (OH±) angehåuft werden. Dann wird der Diffusionsdruck der Protonen durch die elektrostatische Anziehung der gegensinnig geladenen H+- und OH±-Ionen verstårkt. Es ist die Aufgabe der Atmungskette, auf der einen Seite der inneren Mitochondrienmembran einen Ûberschuss an positiv geladenen Protonen zu generieren, auf der anderen Seite unter Verwendung von O2 + H2O negative Hydroxylionen anzureichern (Abb. 2.4 b). In dieser Trennung von positiver (H+) und negativer Ladung (OH±) steckt Energie, die einen ATPase genannten Generator antreibt, der die leeren ADP-Akkus zu vollen ATP-Akkus auflådt. Dies wird in Abschnitt 2.3.4 erlåutert. Das gleiche Prinzip benutzt der Photosyntheseapparat der Chloroplasten. Die ATP-Synthasen von Chloroplasten und Mitochondrien dienen der ATP-Massenproduktion. In der tierischen Zelle liefert die Atmungsketten-Phosphorylierung weit mehr ATP als die Substratstufenphosphorylierung. 2.1.6 Wenn Kinasen Phosphat von ATP auf andere Molekçle çbertragen, çbertragen sie auch negative elektrische Ladung und Energie Phosphat kann von ATP auf viele Molekçle çberspringen, beispielsweise auf Proteine, wobei nur Aminosåuren, die eine Hydroxylgruppe (C-OH) tragen, Akzeptor sein kænnen. Es sind dies die Aminosåuren Serin, Threonin oder Tyrosin. Solche phosphorylierten Proteine tragen negative

2.1 Grundlegende Prozesse des zentralen Energiestoffwechsels der Zelle

Abb. 2.3. Glykolyse. Schwarze Kugeln repråsentieren Kohlenstoffatome, rote Kugeln Sauerstoffatome. Kugeln mit der Bezeichnung P bedeuten Phosphat. Weitere Erlåuterungen im Haupttext

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

Abb. 2.4 a Abb. 2.4 a, b. Citratcyclus, Atmungskette und ATP-Produktion. a Zeigt im oberen Teil eines Mitochondriums den Citratcyclus, b will im unteren Teil des Mitochondriums Grundzçge der Atmungskette und der ATP-Gewinnung deutlich machen.

Oberer und unterer Teil des Mitochondriums sind hierbei nicht råumlich aufzufassen, sondern geben die Reihenfolge der Prozesse wieder

elektrische Ladung! Negativ geladene Proteine sind u. a. von Bedeutung beim Aufbau eines stabilen elektrischen Membranpotentials (s. Kap. 14). Auch eine Vielzahl niedermolekularer Verbindungen kann ¹phosphoryliertª, d. h. mit Phosphat

beladen werden. Im Regelfall sind es wiederum C-OH-Gruppen, an die Phosphat angehångt wird. Beispiele: Glucose und der ringfærmige Polyalkohol Inositol, der bei Signaltransduktionsprozessen (s. Kap. 12) eine Rolle spielt.

2.2 Start im Cytosol: die Glykolyse Abb. 2.4 b

!

Faustregel: Ankoppeln von Phosphat bedeutet Ûbergabe von Energie, Abkoppeln von Phosphat bedeutet Abgabe von Energie.

Eine phosphorylierte Verbindung hat also im Regelfall eine hæhere Gibbs'sche Energie als eine phosphatfreie. Im Zuge einer mehrstufigen Phosphatçbertragung wird aber die Gibbs'sche freie Energie insgesamt abnehmen, und am Ende einer Phosphat-Ûbertragungskette steht eine Verbindung, die zwar im Vergleich zu ihrer nicht-phosphorylierten Form reicher an Energie ist, im Vergleich zum ursprçnglichen Phosphatdonor hingegen årmer. 2.1.7 Der Energiestoffwechsel ist auch ¹entropiegetriebenª: Er wird auch durch Entropievermehrung gefærdert ¹Entropiegetriebenª ist ein Ausdruck aus dem Jargon des Chemikers und zielt auf die mit der Abnahme der ¹freienª, arbeitsfåhigen Energie verbundene Zunahme der (Gesamt-)Entropie (Box 1.1). Katabolische Stoffwechselwege enden mit niedermolekularen Produkten, die als gasfærmige Molekçle (CO2, NH3) oder polare wasserlæsliche

Produkte (inklusive H2O selbst) nahezu ungehindert einer Gleichverteilung entgegenstreben kænnen. Es erhæht sich die Entropie (d. h. der Grad der Gleichverteilung), und weil eine Entropievermehrung irreversibel ist, ist die Gesamtreaktion selbst im Regelfall ebenfalls irreversibel. Die Glykolyse ist in dieser Hinsicht vergleichbar einer Flçssigkeitsleitung mit eingebautem Ventil, das einen Rçckfluss verhindert, oder einer Wasserleitung mit geæffnetem Hahn. Wenn bei der Gluconeogenese (s. Kap. 5) trotzdem in einem rçcklåufigen Prozess aus Pyruvat wieder Glucose synthetisiert werden kann, so nur deshalb, weil stellenweise Nebenwege erschlossen, Pumpen eingebaut werden und Energie investiert wird.

2.2 Start im Cytosol: die Glykolyse 2.2.1 Die vorbereitenden Schritte des Energiestoffwechsels verursachen erst einmal Kosten In der Regel hat die tierische Zelle einen Glucosevorrat in Form von Glykogen, auch ¹tierische Stårkeª genannt. Glykogen wie Stårke sind lange Ketten aneinandergekoppelter Glucosemolekçle.

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

Sie wurden verkettet, um den osmotischen Wert der Zelle nicht zu çberlasten. Lågen die Glucosemolekçle in gleicher Zahl frei gelæst vor, wçrde sich ein unertråglicher osmotischer Druck entfalten. Eine Leberzelle zæge soviel Wasser in sich ein, dass sie platzen wçrde. Soll nun Glucose zur Energiegewinnung herangezogen werden, muss die Kette wieder in die monomeren Glucoseeinheiten zerlegt werden; dies ist nicht energiebedçrftig, es gençgt zum Abtrennen der Monomere anorganisches Phosphat (Phosphorolyse), das an der Glucose haften bleibt (Abb. 2.3). Wenn jedoch freie Glucose oder andere Zucker in die Glykolyse eingeschleust werden sollen, muss ATP investiert werden, um das Startprodukt Glucose-6-phosphat zu gewinnen. Auch andere Energiereserven liegen zumeist als hochmolekulare Materialien vor (Ausnahme: Kreatinphosphat und andere ¹Phosphageneª in Muskelzellen). Hæhermolekulare Energietråger mçssen in ihre Bausteine zerlegt werden, und die Bausteine mçssen, oftmals unter ATP-Verbrauch, in solche Metabolite çberfçhrt werden, wie sie in der Glykolyse und dem Citratcyclus regulår auftreten. Fette (Triglycerine, auch Triglyceride genannt) werden erst in Glycerin und Fettsåuren zerlegt; die langen Fettsåuren werden im Zuge der b-Oxidation in Bruchstçcke zerhackt, die je zwei Kohlenstoffatome enthalten. Diese kleinen, unhandlichen Zweierstçcke werden an ein Coenzym A angekoppelt: Wir haben Acetyl-CoA und das ist das Eingangselement des Citratcyclus (und zugleich elementarer Baustein fçr die Synthese vieler komplizierter Molekçle wie z. B. von Cholesterin, Gallensåuren und Steroidhormonen). Proteine werden erst in Aminosåuren zerlegt; ihnen muss dann die Aminogruppe entzogen werden (durch Desaminierung oder Transaminierung, s. Kap. 5); denn kein Metabolit der zentralen katabolischen Kaskade enthålt Stickstoff. Beispielsweise wird die Aminosåure Alanin durch Transaminierung zum stickstofffreien Pyruvat (Brenztraubensåure). Pyruvat ist sehr willkommen; es ist eine Schlçsselsubstanz, die an der Gabelstelle mehrerer Stoffwechselwege steht. Wir

kænnen die Brenztraubensåure in vielen Synthesen verwenden, oder zu Milchsåure (Lactat) ¹vergårenª (Hefen auch zu Ethanol) oder ¹veratmenª, d. h. in den Citratcyclus schleusen. Bei all diesen vorbereitenden Schritten muss nicht selten innegehalten und erst ATP investiert werden, bevor es weitergeht. Mehr noch, die bei der hydrolytischen Spaltung der Makromolekçle in ihre monomeren Bausteine freiwerdende Energie geht meistens als Wårme verloren (die freilich hilft, die Reaktion zu beschleunigen; s. Kap. 1.7). 2.2.2 Energiefreisetzung unter Sauerstoffarmut: Die Glykolyse macht aus ¹Blutzuckerª chemische Bindungsenergie frei und ist auch entropiegetrieben Als die Biochemie noch physiologische Chemie oder chemische Physiologie hieû, war die Glykolyse auch als Embden-Meyerhof-(Parnas)-Weg bekannt, nach den physiologischen Chemikern Gustav Embden (Frankfurt) und Otto Meyerhof (Kiel, Heidelberg, Paris, USA; Nobelpreis 1922). Es hat gute Grçnde, wenn man in jedem Lehrbuch die Glykolyse (Abb. 2.3), zu der alle Zellen fåhig sind, mit Glucose (Traubenzucker C6H12O6) starten låsst, wiewohl beispielsweise auch mit Fructose oder Glycerol (Glycerin) gestartet werden kænnte. Glucose ist fçr viele Zellen der Hauptenergielieferant, fçr rote Blutkærperchen und Nervenzellen gar die einzige jederzeit zur Verfçgung stehende und verwertbare Energiequelle. Ist der zelleigene Vorrat an Glykogen und freier Glucose erschæpft, wird Nachschub vom Blut an die Verbraucher herangefçhrt; daher ist Glucose als ¹Blutzuckerª medizinischer Abhandlungen bekannt. Glucose, eine Hexose, wird erst unter ATP-Verbrauch durch das Enzym Hexokinase phosphoryliert (Abb. 2.3) und kann nun nicht mehr çber die porenartigen Glucose-Carrier die Zelle verlassen. Wird hingegen Glucose durch das Enzym Phosphorylase vom polymeren Glykogen abgespalten, wird beim Læsen der glykosidischen Bindung soviel Energiepotential verfçgbar, dass ein im Zell-

2.2 Start im Cytosol: die Glykolyse

wasser gelæstes so genanntes anorganisches Phosphat (Pi , Phosphorsåure-Anion) zur Phosphorylierung der Glucose herangezogen werden kann, und es wird ohne ATP-Investition dasselbe Ziel erreicht. Die Hexokinase liefert Glucose-6-Phosphat (G-6-P), die Phosphorylase hingegen Glucose-1-Phosphat, die jedoch leicht zu G-6-P umgestaltet werden kann. An G-6P muss unter Einsatz eines ATP eine weiteres Phosphat angehångt werden. So nun doppelt phosphoryliert und zu Fructose-1,6-Diphosphat umgeformt, kann die Hexose alsdann in zwei Triosen zerlegt werden; denn nur wenn zwei Phosphate ihre negativen elektrischen Ladungen ins Spiel bringen, entfaltet sich die Kraft, die ein Spalten der Hexose ermæglicht. Beide entstehenden Triosen sind mit je einer Phosphatgruppe behångt und ineinander umwandelbar. Als GAP (Glycerinaldehyd-Phosphat) beginnen beide Triosen den Embden-Meyerhof-Abstieg hinab zum Pyruvat. Am Startplatz dieses Weges werden dem GAP Wasserstoffatome mitsamt ihren Bindungselektronen (2 H ) abgenommen. Die Bindungselektronen werden vorçbergehend auf NAD+ geladen (¹Redoxåquivalenteª, siehe nåchster Abschnitt). Dieser Elektronenentzug, den das GAP erleidet, ist ein Oxidationsvorgang, bei dem Energie frei wird. Diese wird nun aber nicht als Wårme entlassen, sondern aufgefangen, indem an das GAP eine weitere Phosphatgruppe angehångt wird. Dafçr muss nun aber nicht mit ATP bezahlt werden; es kann im Wasser gelæstes ¹anorganisches Phosphatª angekoppelt werden. Die Oxidationsenergie, die durch den Elektronenentzug verfçgbar wird, ist groû genug, um das energiearme anorganische Phosphat auf die Stufe des organisch gebundenen Phosphates ¹hochzuhievenª (endergonische Reaktion). Das entstehende Produkt DPG (1,3-Diphosphoglycerat) hat nun zwei Phosphatgruppen angehångt. Im weiteren Verlauf kænnen diese beiden Phosphate auf ADP geladen werden. Dabei wird schlussendlich aus dem mehrfach erwåhnten PEP (Phosphoenolpyruvat) das phosphatfreie Pyruvat (Brenztraubensåure).

Fçr die Gesamtbilanz ist wichtig, dass wir aus einem Glucose-Molekçl zwei Molekçle GAP erhalten. Es wird entsprechend zweimal der EmbdenMeyerhof-Weg durchlaufen. Wir erhalten zwei Diphosphoglycerat-Molekçle und gewinnen pro Glucose 2 ´ 2 ATP. Freilich, um Glucose in zwei Triosen zu zerreiûen, hatten wir erst einmal ein bis zwei ATP investieren mçssen. Maximaler Nettogewinn also: ±2 ATP + 4 ATP = 2 ATP. Glucose + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP ! 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NAD : H2 + 2 H+ Der Gewinn ist spårlich verglichen mit den 38 ATP, welche die Zelle bei der vollståndigen Oxidation der Glucose gewinnen kænnte. Die Glykolyse hat aber auch Vorteile: Sie ist schnell und låuft auch bei O2-Mangel ab. Braucht man aber viel ATP, so muss man viel Nåhrstoff in die Glykolyse einfçttern, wenn man ± etwa bei O2-Mangel ± keine andere Wahl hat. Dabei geråt die Zelle rasch in ein Dilemma. Bald ist alles verfçgbare NAD+ mit Wasserstoff und Elektronen beladen. Die Zelle muss unbeladenes NAD+ regenerieren. Eine einfache Læsung, welche die Natur gefunden hat, ist, den Wasserstoff und die Elektronen einfach vom NAD : H2 auf das (vorlåufige) Endprodukt der Glykolyse, das Pyruvat, abzuladen. Es entsteht das Endprodukt Lactat (Milchsåure). Obwohl dies ein energieverzehrender (endergonischer) Reduktionsvorgang ist, ist die gesamte Glykolyse energieliefernd (exergonisch). Woher kommt letztlich die Energie, die im Nettogewinn von zwei ATP steckt? Es ist Bindungsenergie, die beim Spalten der Glucose anfållt, und die Entropiezunahme. Eine wåssrige Milchsåure-Læsung (mit Lactat±- und H+-Ionen) hat eine hæhere Entropie als eine Glucoselæsung. anaerob: aerob:

DG ±208 ±2903

DH ± 160 ± 2864

TDS +48 kJ/mol +39 kJ/mol

Gegençber dem, was eine bloûe Wårmebildung DH anzeigen wçrde, ist die zur ATP-Synthese potentiell verfçgbar gewordene arbeitsfåhige Ener-

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

gie DG durch Aufnahme von Wårmeenergie im Wert von 48 bzw. 39 kJ aus der Umgebung græûer geworden. Diese Energieaufnahme aus dem Wårmereservoir der Umgebung wird durch Entropievermehrung TDS in den ungeordnet herumschwirrenden Endprodukten und in der (hier nicht beachteten) weiteren Umgebung kompensiert. Offensichtlich ist die Gesamtreaktion groûenteils entropiegetrieben. Zum Ausgleich der Bilanz mçssen wir wieder ¹das Universumª (faktisch in erster Instanz das Zellwasser und die darin gelæsten Molekçle, s. Kapitel 1) bemçhen. Am Ende der Glykolyse sind von den verfçgbaren 208 kJ/mol an Gibbs'scher Energie ca. 2 ´ 30 kJ in den ATP-Akkus aufgefangen (eher 2 ´ 52 kJ, s. folgender Abschnitt in Kleindruck). Die verbleibenden 148 kJ sind als Wårme fçr kçnftige Aufgaben nicht mehr zu gebrauchen, beschleunigen aber momentan die Reaktion. Der Vergleich anaerob±aerob zeigt uns auch, dass wir mit der Glykolyse das Energiepotential långst nicht erschæpft haben. Die Zahlenwerte, die man in verschiedenen Lehrbçchern und Artikeln findet, unterscheiden sich je nachdem, ob die Werte unter den fçr die Chemie vereinbarten ¹Standardbedingungenª ermittelt wurden, oder ob geschåtzte ¹physiologischeª Bedingungen angenommen werden. Im Allgemeinen ergeben die fçr naturnahe physiologische Bedingungen errechneten Werte fçr die Energiegewinnung eine betråchtlich bessere Bilanz.

2.2.3 Warum gerade die energiebedçrftigen Muskeln oft auf die Glykolyse zurçckgreifen In unserem Kærper ist es vor allem der schnelle hellrote (¹weiûeª) Skelettmuskel, der sich håufig den zwar ergiebigen doch langwierigen vollståndigen oxidativen Abbau von Glucose erspart. Die Glykolyse låuft schneller. Auch ist es håufig mit der Sauerstoffversorgung eines Muskels schlecht bestellt, weil bei der Kontraktion des Muskels allzu oft die zufçhrenden Blutkapillaren zugepresst werden, und auch sein interner, mittels Myoglobin angelegter O2-Vorrat (s. Kap. 8) nicht lange vorhålt.

Zum Beispiel der 100 m-Sprint. Das sofort verfçgbare ATP (Konzentration im Muskel ca. 4 mM) ist schon beim Hochschnellen und Beschleunigen an der Startlinie verbraucht. Unverzçglich greift der Muskel auf eine indirekte ATP-Reserve zurçck. Die Reserve nennt sich Kreatinphosphat und war in Ruhezeiten angelegt worden war. Kreatinphosphat + ADP ? Kreatin + ATP Der Vorrat hat eine Kapazitåt von 25 mM (mmol/ Liter Muskel). Das reicht fçr die ersten 4 (±10) Sekunden. Nun muss neues ATP aus der Verwertung der als Glykogen gespeicherten Glucose gewonnen werden. Weil nun aber die Sauerstoffzufuhr mangelhaft ist, herrscht funktionelle Anaerobiose (Anoxybiose). Nur die Glykolyse låuft zuverlåssig. Das Endprodukt der Glykolyse im Muskel, das Lactat, ist freilich nicht verloren; es wird çber die Blutbahn der Leber zugefçhrt, wo es zur Herstellung neuer Glucose verwendet werden kann (Gluconeogenese, s. Kap. 5, Leber). Bei vielen Wirbellosen, beispielsweise bei der Krake Octopus, erzeugt der Muskel statt Lactat Octopin, ein Produkt, das sich aus Pyruvat und Arginin ableitet (s. Abb. 27.4). Auch bei seiner Erzeugung wird NAD+ wiedergewonnen. 2.2.4 Warum manche Organismen in schlechter Luft stinken und dabei Energie gewinnen Manche Organismen holen mehr aus der sauerstofffreien Verwertung der Glucose heraus als unser Muskel, der es bei der Produktion von Lactat bewenden låsst. Die anaerobe, d. h. bei Abwesenheit von Sauerstoff ablaufende, Weiterverwertung von Pyruvat heiût generell Gårung. Will man darauf hinweisen, dass solche Prozesse mit der besonderen ækologischen Nische des Organismus korreliert sind, spricht man auch von biotopbedingter Anaerobiose (Anoxybiose). Allen solchen Prozessen ist gemeinsam, dass sie zur Regeneration von NAD+ aus NAD : H2 fçhren, also einen Akzeptor fçr Wasserstoffatome inklusive ihrer Elektronen finden mçssen. Der jeweilige Typ einer Gå-

2.3 Citratcyclus, Atmungskette und ATP-Groûproduktion

rung wird nach dem Endprodukt benannt, bei dem der gesamte Prozess zum Stillstand kommt. Håufig sind solche Endprodukte çbelriechende organische Såuren wie Buttersåure (Butyrat). Wie in Abb. 27.4 gezeigt wird, kann dabei auch ein Teil des Citratcyclus benutzt werden, und zwar in der Gegenrichtung zum normalen, oxidativen Cyclus, der (in der çblichen Darstellung) im Uhrzeigersinn rotiert. Milchsåure- und Essiggårung werden fçr die Konservierung von Nahrungsmitteln ausgenutzt. Die im Sauerkraut und in der Silage tåtigen Bakterien erzeugen solange Såure, bis der tiefe pH von 4±3 ihnen selbst und anderen Organismen ein gedeihliches Leben unmæglich macht. Wie Wiederkåuer mit ihren Symbionten kooperieren, wird in Kapitel 4 beschrieben. Dass Darmsymbionten bisweilen Gase (CO2, H2, Methan, Methylamin, NH3, H2S) erzeugen, erleben wir mit zumeist unangenehmen Empfindungen. In frischer Luft mit viel Sauerstoff lebt es sich besser.

2.3 Citratcyclus, Atmungskette und ATP-Groûproduktion 2.3.1 Der Citratcyclus låuft im Innenraum der Mitochondrien ab; er wirft als Abfallprodukt CO2 aus Im Regelfall einer ordentlich mit Sauerstoff versorgten Zelle wird das Pyruvat am Ende der Glykolyse nicht in Lactat umgesetzt, sondern in die Mitochondrien eingeschleust (Abb. 2.4 a). Das in der Glykolyse mit Wasserstoff beladene NAD : H2 wird auf andere Weise zurçck zu NAD+ oxidiert, und zwar wie folgt: NAD : H2 wird wie Pyruvat in die Mitochondrien eingespeist, dort der Atmungskette zugefçhrt und von seinen Elektronen entlastet. Mit den beiden Elektronen wird NAD aber auch viel Energie in die Atmungskette flieûen lassen. Weiteres NAD : H2 aus den einstigen zwei Triosen, in die unsere Glucose zerfiel, zu gewinnen, ist

Hauptziel des Citratcyclus. Da hierbei nur der Wasserstoff mit seinen Elektronen von Interesse ist, wird der ganze Kohlenstoff, der das Gerçst der Glucose ausgemacht hatte, in den Mitochondrien in Form von CO2 herausgebrochen und als Abfallprodukt entlassen. Schon beim Einschleusen des Pyruvat in den inneren Mitochondrienraum greift ein Enzymkomplex ein, der beide Schritte bewåltigen kann, sowohl das Abspalten von CO2 als auch das Ûbertragen von zwei Wasserstoffatomen auf NAD+. Der Biochemiker spricht von oxidativer Decarboxylierung. Der Enzymkomplex, der diese komplexe Doppelreaktion katalysiert, ist die Pyruvatdehydrogenase, ein Multienzymkomplex, der als Coenzyme die Vitamine B1 (Thiamin) und Liponsåure enthålt. Von der Triose bzw. dem ebenfalls dreigliedrigen (d. h. aus drei C-Atomen bestehenden) Pyruvat bleibt ein zweigliedriges Molekçl çbrig: Essigsåure (Acetat). Wie oft im Stoffwechsel, wird das kleine, unhandliche Molekçl zunåchst an einen Tråger gekoppelt: Coenzym A. Auch dieses Coenzym wird unter Verwendung eines Vitamins, der Pantothensåure, hergestellt. Ist nun der Essigsåure¹restª Acetyl an das Coenzym A gekoppelt, erhalten wir das vielgenannte Acetyl-CoA (aktivierte Essigsåure). Wenn wir Acetyl-CoA nicht benutzen wollen, um beispielsweise Fette herzustellen, sondern um ATP zu generieren, koppeln wir die Acetylgruppe an das viergliedrige Oxalacetat und erhalten Citrat. Damit haben wir Eingang gefunden in den kreisfærmigen Teil des weiteren Abbauweges. Er heiût l

Citronensåure- (Citrat-)Cyclus oder

l

Tricarbonsåure- (TCA-)Cyclus oder

l

Krebscyclus, nach dem deutsch-jçdischen Biochemiker und Nobelpreistråger Hans Adolf Krebs, der 1934 nach Groûbritannien emigrierte.

In dem kreisfærmigen Prozess (Abb. 2.4 a) wird noch zweimal CO2 abgespalten, einmal vor -Ketoglutarat, ein zweites Mal nach -Ketoglutarat.

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

Das anfånglich eingespeiste dreigliedrige Pyruvat ist jetzt in drei CO2 zerlegt und beiseite geråumt. Im restlichen Kreisverkehr wird das viergliedrige Lastgefåhrt wieder in seinen Ausgangszustand gebracht: Am Ende steht Oxalacetat leer da, um erneut mit Acetyl beladen werden zu kænnen. 2.3.2 In der Logik des Zellstoffwechsels atmen wir erst CO2 aus, bevor der Sauerstoff ins Spiel kommt Da pro Glucose zwei Pyruvat anfallen, muss die Citratrunde zweimal durchfahren werden, und wir haben als Abfall insgesamt 6 CO2 zu entsorgen. Der gesamte Kohlenstoff der Glucose wird als Abfall çber Blutkreislauf und Lunge in die Luft geblasen. Alles erledigt? Bei der Gesamtbilanz dçrfen wir natçrlich nicht nur die Kohlenstoffatome zåhlen. Lassen wir erst einmal den Wasserstoff aus dem Spiel und betrachten den Sauerstoff: In der Glucose waren 6 O-Atome enthalten; mit 6 CO2 schleusen wir 12 O-Atome aus. Woher kommen weitere 6 O-Atome? Wir denken an den Sauerstoff der Atemluft, doch gefehlt! Im Zuge des Citratcyclus werden in jeder Runde 3 Molekçle H2O in die Metaboliten eingebaut, bei einer Doppelrunde also 6 ´ H2O. Zwischenbilanz: 2 ´ [Pyruvat C3O3H6] + 6 H2O ! 6 CO2 + 24 H. 2.3.3 Den Mitochondrien kommt es auf die Wasserstoffatome inklusive deren Elektronen an Mit der Addition von insgesamt 2 ´ 3 H2O werden die Metaboliten auch mit 2 ´ 6 Wasserstoffatomen angereichert, und dies ist ein hæchst willkommener Effekt. Denn diese 12 Wasserstoffatome mit den ihnen zustehenden Elektronen kænnen nun ebenso wie die 12 Wasserstoffatome, die von der Glucose stammen, aus den Metaboliten des Citratcyclus herausgesaugt und auf NAD+ (oder FAD+) geladen werden. Nachdem zur Bewåltigung eines ganzen Glucosemolekçls eine Citratdoppelrunde durchlaufen ist, haben wir ins-

gesamt 24 Wasserstoffatome mit 24 Elektronen zur Verfçgung, die wir mittels NAD+ zur ATP-Erzeugung in die Atmungskette einspeisen. 2.3.4 Atmungskette: Von einer ¹Brennstoffzelleª erzeugte Elektronenflçsse treiben ATP-Generatoren Die Atmungskette (Abb. 2.4 b) ist ein Komplex von Coenzymen, die in genau definierter Ordnung in die innere Mitochondrienmembran eingebettet sind und schrittweise Energie zum ATPGenerator dirigieren. 1. Schritt: Elektronentransfer. Mit ihren konjugierten Doppelbindungen sind die Coenzyme in gewissem Umfang in der Lage, Elektronen flieûen zu lassen, auch wenn sie mæglicherweise keinen ausgesprochenen elektrischen Leiter darstellen. Das Leitvermægen beruht darauf, dass Elektronenpaare ¹von Hand zu Handª an den Nachbarn weitergegeben werden, oder anders betrachtet: Die Coenzyme sind so gestaffelt, dass die Elektronen wie Dachziegel beim Abdecken eines Hauses von Hand zu Hand zu dem am tiefsten stehenden Endglied der Kette fliegen. An den Beginn der Kette stellt sich oben auf das Dach NAD, das dem Substrat die Ziegel wegnimmt und dem ersten Glied der Atmungskette in die Hand drçckt. Unten ans Ende der Kette stellt sich der Sauerstoff. Er fångt die Ziegel/Elektronen auf, um sie nun freilich nicht irgendwo abzuladen, sondern zu behalten. 2. Schritt: elektrischer und pH-Gradient. Ûber die ganze Leiterbahn der Atmungskette flieûen nur die Elektronen. Die zugehærigen Wasserstoffkerne (Protonen = H+-Ionen) werden auf die andere Seite der Membran gelenkt. Sie sammeln sich im Raum zwischen innerer und åuûerer Mitochondrienmembran. Auf der Innenseite der Membran belådt sich jedes O2-Molekçl mit zwei Elektronen und wird zum O2± 2 -Radikal. Es reagiert mit zwei H2O, und es entstehen zwei OH±-Anionen. Um alle 24 Elektronen

2.3 Citratcyclus, Atmungskette und ATP-Groûproduktion

aufzufangen, brauchen wir entsprechend 6 mol O2. Am Ende, wenn ein Molekçl Glucose verarbeitet ist, drångeln sich an der Innenseite der inneren Mitochondrienmembran 24 OH±-Ionen, auf der Auûenseite 24 H+-Ionen (Abb. 2.4 b).

!

Merke: Die gesamte in der Glucose gespeicherte, arbeitsfåhige Energie ist transformiert in eine Konzentrationsdifferenz an Protonen (pH-Differenz) zwischen Innenund Auûenseite der inneren Mitochondrienmembran und in ein gleichgerichtetes elektrisches Potentialgefålle, das aus der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen den råumlich getrennten H+- und OH±-Ionen resultiert.

Der pH-Unterschied betrågt ca. 0,5 pH-Einheiten, also eine halbe Zehnerpotenz; das elektrische Membranpotential (= die elektrische Spannung) hat den betråchtlichen Wert von 170 mV. Beide zusammen ergeben ein elektrochemisches Potential, auch protonenmotorische Kraft genannt, von 224 mV. Zum Vergleich: die elektrische Spannung zwischen Zellinnerem und Zellåuûerem betrågt bei einer typischen Nervenzelle 90 mV. 3. Schritt: ATP-Synthese. Wenn wir jetzt durch die innere Mitochondrienmembran eine Passage fçr Protonen æffnen, werden die Protonen, ihrem Konzentrationsgefålle und der Anziehungskraft der Hydroxylionen folgend, mit Macht in den Mitochondrieninnenraum zurçckstræmen. Es kommt zu einer Massentrauung und aus 24 energiegeladenen H+ und 24 OH± werden 24 abgesåttigte H2O-Ehepaare. Den starken Trieb zur Vereinigung kænnen wir in zweierlei Weise nutzbar machen. Im Regelfall werden wir den kråftigen Strom der Protonen durch ATP-Generatoren (ATP-Synthase) treiben; dabei kænnen wir pro mol Glucose 38 ATP-Akkus laden. Im Endeffekt arbeitet ein Mitochondrium nach dem Prinzip einer Brennstoffzelle, die freilich nicht elektrischen Strom çber eine Leitung liefert, sondern ATP-Akkus auflådt.

Wenn wir die ATP-Synthase mit einem Generator vergleichen, so ist dies fçrs Erste symbolisch gemeint. Es verblçfft andererseits, dass dieser aus zahlreichen Bausteinen zusammengesetzte Multienzymkomplex aus einem sich drehenden Rotor und einem stationåren, in der inneren Mitochondrienmembran verankerten Stator besteht (Voet & Voet, 2004, S. 832). Allerdings erzeugt dieser Drehmotor keine mechanischen Drehmomente, sondern erfçllt Arbeit, indem er Phosphat an ADP koppelt.

Die Synthase kann pro 3 Protonen, die diesen Generator durchlaufen, 1 ATP aufladen. Das von der Synthase gelieferte ATP wird mittels eines speziellen Transporters aus dem Mitochondrien-Innenraum durch die Membranen des Mitochondriums in das Cytosol der ATP-bedçrftigen Zelle transportiert. Treibende Kraft ist auch hier die Protonendifferenz; die in dieser Differenz steckende arbeitsfåhige Energie muss zu ca. Ü fçr den ATP-Export geopfert werden. Im Gegenzug zum ATP-Export wird ADP in den Mitochondrienraum importiert, wo es von der Synthase mit neuem Phosphat beladen werden kann. 2.3.5 Aus der Bilanz errechnet sich bezçglich des ATP-Gewinns ein Wirkungsgrad von 40% Bevor wir weitere Energielieferanten wie Fette ins Spiel bringen, machen wir erst einmal Gesamtbilanz fçr die veratmete Glucose. Was links vom Pfeil steht, haben wir in das Kraftwerk eingespeist, was rechts vom Pfeil steht, kommt aus Schornstein oder Abflussleitung heraus: C6H12O6 + 18 H2O + 6 O2 ! 6 CO2 + 24 H2O Wir kçrzen links und rechts um 12 H2O und erhalten die in Kapitel 1 eingefçhrte Summenformel. Da wir aber die Glucose nicht echt verbrennen, dçrfen wir linke und rechte Seite ergånzen mit 38 ADP + 38 Pi ! 38 ATP. Wieviel ¹Delta Gª dabei ins ATP geflossen ist, entnehmen wir den Lehrbçchern der Biochemie. In Abb. 1.1 sind die Werte eingetragen. Ein mol Glucose enthålt 2900 kJ; 38 mol ATP enthalten 1140 kJ. Der Wirkungsgrad wåre dem-

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

nach 39% (bis zu 60% unter physiologischen Bedingungen). Die restlichen 61% (40%) ergeben Wårme. Der Wirkungsgrad des Mitochondriums ist damit etwas besser als der eines Benzinmotors. 2.3.6 Mitochondrien kænnen auch vollståndig zu Heizungen umfunktioniert werden In besonderen Fållen kænnen wir Entkoppelungsproteine in die innere Mitochondrienmembran einbauen, die als H+-Kanåle den Protonen den Durchtritt gestatten, ohne von ihnen eine Arbeitsleistung abzuverlangen. Dann wird die gesamte innere Energie in Wårme verwandelt. Dies ist im braunen Fettgewebe der Fall, das Winterschlåfer benutzen, um sich im Bedarfsfall aufzuheizen, das aber auch der neugeborene Såugling mitbekommt, damit er nicht gleich erfriert, noch bevor sich jemand um ihn kçmmert (s. Abb. 10.9). Dieses braune Fettgewebe unterscheidet sich vom gewæhnlichen, weiûen Fettgewebe durch einen sehr hohen Gehalt an Mitochondrien.

2.4 Die verschiedenen Energiespeicher und ihr besonderer Nutzen 2.4.1 Kohlenhydrate versus Fette, beide Energiequellen haben Vor- und Nachteile Kohlenhydrate, namentlich Glykogen, sind insofern eine gçnstige Energiereserve, als diese Reserve rasch mobilisiert werden kann. Andererseits sind Kohlenhydrate recht gewichtig. Ihr spezifisches Gewicht ist hoch, und bezogen auf Energie pro Kilogramm mitzuschleppendem Gewicht sind die leichteren Fette und Úle allemal vorteilhafter. Vor- und Nachteile von Kohlenhydraten und Fetten: Fett Vorteile: l Fett ist leicht, fçr innere Speicherung gçnstig, besonders fçr Schwimmer und Flieger

l

Die Lipidtræpfchen in den Speicherzellen belasten deren osmotischen Wert kaum. Da Triglycerine auch noch chemisch weitgehend inert sind, kann Fett in groûen Mengen gespeichert werden

l

Liefert viel Oxidationswasser: 1 g Fett liefert 1 g Wasser

l

Fettgewebe ist zugleich ein vorzçglicher Isolator gegen Wårmeverlust.

Nachteile: Spezielle Fettspeicher erforderlich

l l

Langsame Mobilisierung

l

Gefahr von Ketosen (s. Kap. 5, Diabetes mellitus) Kohlenhydrate

Nachteile: schwer

l l

liefern bezogen aufs Gewicht weniger H2O als Fette

Vorteile: l in allen Zellen als Glykogen speicherbar l

rasch zu mobilisieren. 2.4.2 Der respiratorische Quotient liefert Indizien, ob man gerade Kohlenhydrate oder Fett verbrennt

Mancher Zoologe will wissen, ob z. B. Fledermåuse, die sich im Winterschlaf auf ca. 4 8C warm halten, oder am Ende des Winterschlafes auf 38 8C aufheizen, Glykogen der Leber verbrennen oder Fett des braunen Fettgewebes. Auch ein Langstreckenlåufer mæchte gerne wissen, ob er sich einen kleinen Fettvorrat anlegen soll. Es gibt eine Messmethode, die ein Indiz liefert, welche Energiequelle in Anspruch genommen wird, der respiratorische Quotient RQ. RQ ˆ

Liter an ausgeatmetem CO2 Liter an eingeatmetem O2

2.5 Energieumsåtze

Spontan mutmaûen wir wohl alle, dass die Menge des ausgeatmeten Luftvolumens gleich ist der Menge des eingeatmeten Luftvolumens, nur dass die eingeatmete Luft eben mehr O2 enthålt, die ausgeatmete dagegen mehr CO2. Wenn wir Glucose veratmen, und generell Kohlenhydrate, trifft dies auch zu. Unsere wohlbekannte Standardformel 1 mol C6H12O6 + 6 mol O2 ! 6 mol CO2 + 6 mol H2O låsst erwarten, dass wir ± bezogen auf mol ± gleich viel Sauerstoff aufnehmen wie wir Kohlendioxid ausatmen. Trifft dies auch fçr das Volumen zu? Ja; denn 1 mol eines Gases hat jeweils 6´1023 Molekçle (Avogadro- oder Loschmidtsche Zahl), die unter Standardbedingungen ein Volumen von 22,415 Liter einnehmen. Wenn wir also 180 g Glucose ¹verbrennenª, atmen wir 134,5 Liter CO2 aus und 134,5 Liter O2 ein. Der RQ ist 1,0. Das muss nicht bei jedem Energietråger so sein. Es kommt darauf an, wieviel Sauerstoffatome im Molekçl des Energielieferanten schon enthalten sind. Als Referenz nehmen wir die Kohlenstoffatome. Fett, im typischen Fall: C57H104O6 + 80 O2 ! 57 CO2 + 52 H2O Das Verhåltnis H : C ist etwa gleich wie in Kohlenhydraten, aber Fette enthalten viel weniger Sauerstoffatome. Es muss entsprechend vermehrt Sauerstoff eingeatmet werden (Tabelle 2.1). Proteine werden in der Regel sparsam verbrannt. Ihr Anteil kann anhand des ausgeschiedeTabelle 2.1. O2-Verbrauch und CO2-Abgabe pro mol eingesetzter Substanz bei biologischer Oxidation der Substanz Stoffklasse

Kohlenhydrate (z. B. Glucose) Fette (Durchschnitt) Protein (hypoth. Polyprolin)

O2CO2Aufnahme Abgabe in mol in mol

RQ

6

6

1,0

80 5

57 5,5

0,7 0,9

nen Stickstoffs ermittelt werden. Ein RQ von 0,7 ist ein relativ zuverlåssiges Indiz fçr Fettverwertung. Ûbrigens: Pflanzen haben im Regelfall einen RQ >1. Warum ist das so? 2.4.3 Fette sind auch gute Wasserreserven Nicht, dass Fette Wasser in sich schlæssen, gewiss nicht; denn dies widerspråche ganz ihrer hydrophoben (wasserscheuen) Natur. Bei ihrer ,Verbrennung` im oxidativen Stoffwechsel entsteht jedoch in den Mitochondrien relativ viel ,Oxidationswasser`. Dieses Wasser gelangt aus den Mitochondrien und wird schlieûlich in den Blutkreislauf eingespeist. Auch wenn dieses Wasser Abfall ist und energiearm, mancher lechzt danach. Pro mol Kohlenhydrat entstehen 12 mol H2O; bei Fett sind es 52 mol H2O. Auf Masse bezogen liefert 1 kg Fett 1 Liter Wasser. Der Fetthæcker der Kamele ist auûer Energiespeicher indirekt auch Wasserspeicher (wenn auch seine Ergiebigkeit gering ist und oft çberschåtzt worden ist). Zugvægel, die mit Gewicht und Wasser sparsam umgehen mçssen, legen sich vor der langen Reise einen Fettvorrat an.

2.5 Energieumsåtze Energieumsåtze in Lebewesen kænnen gewaltig sein und werden indirekt durch Kalorimetrie und/oder den Sauerstoffverbrauch gemessen. 2.5.1 Wer gern im Kçhlschrank (Kalorimeter) sitzt, kann seinen Energieumsatz mit dem Thermometer oder Messzylinder messen Der franzæsische Gelehrte und Mitbegrçnder der neuzeitlichen Chemie, Antoine Laurent Lavoisier (1743±1794), erfand eine sinnreiche, genial einfache Einrichtung, die Energieumsetzung eines Lebewesens zu messen: den Kalorimeter. Wenn ein Organismus nicht allzuviel Energie in die Syn-

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42

2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

Abb. 2.5. Respirationskalorimeter. Ein Kalorimeter nach dem Prinzip von Lavoisier ist mit einer Zusatzeinrichtung zur Bestimmung des respiratorischen Quotienten ausgerçstet. Die Wårmeproduktion des Tieres wird çber die Menge des Schmelzwassers bestimmt. Der åuûere Eis-Wasser-Mantel schirmt Wårmezufuhr von auûen ab. In der Praxis werden die Mengen des in der ausstræmenden Atemluft enthaltenen Wasserdampfes und des CO2 durch zwei getrennte, hintereinander geschaltete Systeme aufgefangen (Wasserdampf beispielsweise mit konzentrierer Schwefelsåure, CO2 mit Lagen von trockenem NaOH und CaCO3 oder mit Barytwasser)

these langlebiger energiereicher Makromolekçle und die Erzeugung von Nachkommen investiert, wird der græûte Teil der umgesetzten Energie eher frçher als spåter als Wårme frei. Bei der direkten Kalorimetrie wird das Versuchstier in einen thermisch isolierten Kasten gesteckt und seine Wårmeproduktion gemessen (Abb. 2.5). Der besondere Trick des Herrn Lavoisier war der doppelte Eismantel, mit dem er den Kasten umhçllte. Dieser sorgte fçr gleichbleibende Temperatur im inneren Kåfig; denn die von auûen einwirkende und die vom Tier erzeugte Wårme wurde getrennt vom åuûeren bzw. inneren Eismantel abgefangen. Solange Eis schmilzt, bleibt das Schmelzwasser unveråndert auf 0 8C! Øuûere Wårme dringt nicht zum inneren Mantel vor. Gleichzeitig gab die Menge des im inneren Mantel geschmolzenen Eises ein hinreichend genaues Maû fçr die vom Tier abgegebene Wårme.

Die direkte Kalorimetrie nach Lavoisier hat allerdings den Nachteil, dass die Temperatur im Aufenthaltsraum nahe ungemçtlichen 0 8C liegt, und da ist von gleichwarmen Tieren schon betråchtlich viel aktive Wårmeproduktion verlangt. Wechselwarme Tiere gar verweigern die Mitarbeit und verfallen in Kåltestarre. Es sind daher verschiedene Varianten der Kalorimetrie entwickelt worden (z. B. Abtransport der Wårme durch die Belçftung). In modernen Varianten des Kalorimeters werden nicht nur die Wårmeproduktion, sondern darçber hinaus in der so genannten indirekten Kalorimetrie der Sauerstoffverbrauch und die Kohlendioxidproduktion des Versuchstieres gemessen. Eine solche Einrichtung heiût dann Respirationskalorimeter. Mehr darçber im nåchsten Abschnitt. Jetzt nur noch ein Hinweis: Die Respirationskalorimetrie, wie sie in Abb. 2.5 gezeigt wird, ist nicht bloû eine Methode des technischen Museums. Manche Arbeits- und Sportmediziner benutzen groûe Kammern mit ausgeklçgelter Technik, in denen Menschen freiwillig Versuchskaninchen spielen. 2.5.2 Was immer zur Energiegewinnung herangezogen wird, der Sauerstoffverbrauch kann ein gutes Maû fçr den Energieumsatz sein Will man den Energieumsatz bei beliebigen Temperaturen, beliebigem O2-Angebot, verschiedenen sonstigen Rahmenbedingungen und bei verschiedenen Aktivitåten messen, weicht man auf die Messung des Sauerstoffverbrauchs aus. Natçrlich gibt der Sauerstoffverbrauch nur dann ein Maû fçr den Energieumsatz, wenn man aerob lebt. Man hat den ¹physiologischen Brennwertª der çblichen Energielieferanten ermittelt. Dieser Brennwert ist nicht auf mol bezogen (wer wçsste schon, wieviel mol ein Gramm Butter hat?) und berçcksichtigt den physiologischen Wirkungsgrad. Bezogen auf Gramm sind Fette ergiebiger als Kohlenhydrate. Dennoch, da Fette eben intramolekular wenig Sauerstoff enthalten, muss mehr Sauerstoff eingeatmet werden als bei Kohlenhyd-

2.5 Energieumsåtze Tabelle 2.2. Nåhrstoffverbrauch und Sauerstoffverbrauch, Beispiel Mensch Nåhrstoffgruppe

mittlerer Nåhrwert in kJ/g

O2-Verbrauch in ml/g Nåhrstoff

ATP-Gewinn in mmol/g Nåhrstoff

O2-Verbrauch in Liter pro Tag

CO2-Abgabe in Liter pro Tag

Kohlenhydrate Fette Proteine

17 40 19

800 2000 1000

211 514 200

360 350 390

360 245 320

a

raten. Der Zufall der durchschnittlichen molekularen Fettstruktur bringt es nun mit sich, dass fçr den Tagesbedarf an Energie nahezu gleich viel Sauerstoff benætigt wird, ob nun Kohlenhydrate, Fette oder Proteine in Anspruch genommen werden (Tabelle 2.2). Dass bei Fettverwertung weniger Kohlendioxid ausgeatmet werden muss, ist fçr die Energiegewinnung nicht von Belang. In tierphysiologischen wie in humanmedizinischen Untersuchungen nimmt man daher den Sauerstoffverbrauch als Maû des Energieumsatzes. Eine einfache Messanordnung, die auch in der Schule nachvollzogen werden kænnte, ist in Abb. 2.6 vorgestellt. Solche Messungen erbrachten manch interessanten Befund. 2.5.3 Wir setzen schon im Schlaf soviel Energie um, dass wir ståndig eine 80 Watt Birne brennen lassen kænnten

b Abb. 2.6. a Einfaches Respirometer zur Bestimmung des respiratorischen Quotienten. Da vom Tier O2 der Luft entnommen, das ausgeatmete CO2 aber absorbiert wird, fållt in der Flasche der Luftdruck. Dieses Abfallen des Luftdrucks wird kompensiert durch die nachrçckende Luftsåule im Glasrohr. Sind die Luftvolumina in der Flasche und im Glasrohr bekannt, zeigt der im Glasrohr nachrçckende Últropfen den O2-Verbrauch quantitativ an. Der CO2-Absorber gewinnt an Gewicht, und zeigt die CO2-Produktion an. Zur Berechnung der absoluten Werte muss die Zeit mit einkalkuliert werden. Zweckmåûig wåre auch ein Exsikkator, der mit einem Schenkelrohr versehen ist, in dem eine Flçssigkeitssåule den Luftdruckabfall anzeigt. b Respirometer zur Messung des Ruhe-Energieumsatzes anhand des Sauerstoffverbrauchs und zur Messung des respiratorischen Quotienten

Der Ruheumsatz oder Grundumsatz des Menschen wird im Liegen gemessen. Der Proband soll nçchtern sein aber in thermischer Behaglichkeit gehalten werden. Aus dem Sauerstoffverbrauch ergibt sich folgende Kalkulation: Sauerstoffverbrauch: 360 Liter/Tag Energieumsatz: 7100 kJ/Tag Umrechnung in Watt: 7 100 kJ = 7 100 000 Wattsekunden (Ws) 1 Tag hat 86 400 Sekunden; daraus:

7 100 000 ˆ 82 Watt!!! 86 400

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

ATP-Umsatz im Grundverbrauch: 1 mol = 507 g ATP speichert ca. 32 kJ Folglich ist der Tagesbedarf von 7100 kJ in 114 kg ATP enthalten. Zwar ist die in jedem Augenblick vorråtige ATP-Menge gering. Addiert man jedoch alles ATP auf, das im Verlauf von 24 Stunden gebildet (und wieder verbraucht) wird, so ergibt sich ein Summengewicht, welches das Gewicht unseres eigenen Kærpers çbertrifft. In der Tierphysiologie muss weiter differenziert werden, wenn es um basale Energieumsåtze geht. Die fçr den Menschen vereinbarten Messbedingungen sind beispielsweise fçr eine Makrele, eine Schwalbe oder eine Biene nicht eben angemessen. So man ein angemessenes Messverfahren findet, bestimmt man als Grundumsatz (basal metabolic rate, BMR) den minimalen Energieumsatz, der notwendig ist, um ein Lebewesen im Ruhezustand am Leben zu erhalten. Da auch Ruhezustånde bei ganz verschiedenen åuûeren und inneren Bedingungen eingehalten werden kænnen ± man denke nur an die Winterstarre des Winterschlåfers ± und die adåquate Temperatur nicht fçr alle Tierarten gleich ist, definiert man je nach Tierart und Fragestellung neben einem Ruhestoffwechsel (resting metabolic rate, RMR) auch Standard-Stoffwechselraten (standard metabolic rate, SMR), durchschnittliche tågliche Energieumsåtze (avergage daily energy expenditure, ADMR) oder Umsatz unter Freilandbedingungen (field metabolic rate, FMR). Mehr hierzu in Heldmaier u. Neuweiler 2004).

2.5.4 Leistungsumsatz: Wenn Månner mehr Energie umsetzen als Frauen, hat dies mehr mit Muskeln als mit Geist zu tun Der Grundumsatz reicht fçr das alltågliche Leben nicht aus, auch wenn man sich der Arbeit verweigert; schlieûlich will man sein Leben nicht nur auf der Liege im Messraum eines Physiologen verbringen. Frauen haben einen tåglichen Energiebedarf von 8300±12 100 kJ, Månner zwischen 9700±15 400 kJ. Es liegt jedoch nicht am tåtigen Geist, wenn Månner mehr Energie umsetzen als Frauen, sondern an den Muskeln und dem im Durchschnitt hæheren Gewicht, das die Treppe hochgehievt werden muss.

Bei starker physischer Leistung, etwa beim Sprint, steigt der Energieumsatz auf das 10- bis 20fache des Grundumsatzes an. Bei Dauerhochbelastung, wie sie sich der Profiradsportler bei der Tour de France zumutet, mçssen pro Tag 34 000 kJ aufgebracht werden, was einer Leistung von 394 Watt entspricht. Demgegençber schlågt geistige Leistung nur geringfçgig zu Buche. Eine etwa 10%-ige Steigerung des Energieumsatzes gegençber dem Schlafumsatz wçrde gençgen, um eine nobelpreiswçrdige Leistung in Wissenschaft oder Dichtung zu erbringen. Ein spættischer Geist kænnte dies als Rechtfertigung dafçr ausgeben, dass ein Tennis- oder Fuûballspieler vielfach mehr verdient als ein Nobelpreistråger. Freilich wird der Sportler die Millionen erspielten Geldes kaum benætigen, um sich die nætigen Kalorien zu beschaffen. Ein fliegendes Insekt muss seine Stoffwechselrate gegençber der Grundumsatzrate um das 150fache steigern. Was verdient(e) eine Biene? Einige Werte zum Leistungsumsatz eines Menschen (Werte nach Passmore u. Durnin 1955): Grundumsatz 80 Watt Gemåûigt schnelles Gehen mit 5 km/h 260 Gehen im Eiltempo bei 8 km/h 558 Gehen bei 15% Steigung und 3 km/h 440 Besteigen einer senkrechten Leiter 800 Treppensteigen mit 60 kg Last 2133 2.5.5 Kleine Lebewesen brauchen relativ viel mehr Energie als groûe Gewiss verzehrt ein Elefant mehr als eine Maus, eine Maus mehr als eine Ameise, eine Ameise mehr als ein einzelliges Paramaecium in einer Pfçtze. Ein erhæhter Energieumsatz wåre auch dann noch zu messen, wenn uns das Kunststçck gelånge, den Umsatz in verschiedenen Situationen vergleichend zu messen: beim schlafenden Elefanten und der munteren Maus, bei der schlafenden Maus und der geschåftigen Ameise. Immerhin, Wårmeproduktion und Sauerstoffverbrauch sind bei vielen Tieren tatsåchlich mehrfach mit unter-

2.5 Energieumsåtze

schiedlichen Methoden in verschiedenen Lebenssituationen gemessen worden. Dass gleichwarme (homoiotherme, endotherme) Tiere vergleichbarer Græûe eine etwa 10fach hæhere Stoffwechselrate haben als wechselwarme (poikilotherme, exotherme), verwundert nicht sonderlich. Eigenartig ist jedoch eine andere Beziehung, die deutlich wird, wenn z. B. Såugetiere ± so sie nicht gerade im Winterschlaf sind ± miteinander verglichen werden. Bezieht man die Daten nicht auf das ganze Lebewesen mit seinem schweren oder leichten Gesamtgewicht, sondern pro Gramm Kærpersubstanz, kommt man einer interessanten und wichtigen Beziehung auf die Spur. Mit zunehmender Kærpermasse steigt die Stoffwechselintensitåt pro Gewichtseinheit nicht linear proportional an, sondern wird relativ geringer. Ein Tier, das 10 kg wiegt, braucht nicht zehnmal mehr Energie als ein Tier, das 1 kg wiegt, sondern signifikant weniger: nur ca. 2/3 der Energiemenge, die rechnerisch nach seinem Gewicht zu erwarten wåre.

Entsprechende graphische Darstellungen der spezifischen Metabolismusrate sind als MausElefanten-Kurven (Abb. 2.7, 2.8) bekannt. Die Maus-Elefanten-Kurve sagt uns manch Interessantes (Angaben aus Wehner u. Gehring 1995 und weiteren Quellen):

Abb. 2.7. Sauerstoffverbrauch pro Zeiteinheit und Gramm Kærpergewicht als Funktion der gesamten Kærpermasse in halblogarithmischer Darstellung. Auf eine Darstellung der

Streubreiten wurde um der Ûbersichtlichkeit willen verzichtet. Die Daten stammen aus mehreren Quellen, vor allem aus Withers 1992

l

Eine Spitzmaus benætigt pro Gramm Kærpergewicht und Tag 40- bis 100-mal mehr Energie als ein Elefant.

l

Spitzmåuse atmen 300-mal in der Minute und ihr Herzpuls liegt bei 1300 Schlågen pro Minute (Mensch ca. 60±80).

l

Ihre Herzmuskelzellen sind zu 45% Volumenprozent mit Mitochondrien gefçllt.

l

Ein Elefant mit der Stoffwechselintensitåt der Spitzmaus mçsste seine Haut 100 8C heiû halten, um ausreichend Wårme an die Luft abfçhren zu kænnen.

l

Eine Spitzmaus mçsste umgekehrt ein meterdickes Fell haben, wenn sie sich mit der Stoffwechselintensitåt des Elefanten begnçgte, aber nicht erfrieren wollte.

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

Abb. 2.8. Energieumsatz in Watt als Funktion der Kærpermasse in doppelt logarithmischer Darstellung. Die Watt-Werte sind aus dem Sauerstoffverbrauch pro Stunde und Gramm Kærpergewicht errechnet worden. (Daten aus Withers 1992)

l

Spitzmåuse, Fledermåuse und Kolibris senken wåhrend des Schlafes ihre Kærpertemperatur, damit sie nicht verhungern. Ein Kolibri beispielsweise senkt seine Kærpertemperatur von 418 auf 20 8C.

Eine solche vorçbergehende Senkung der inneren Temperatur zwecks Energieersparnis, wie wir sie auch bei unserer Wohnungsheizung einstellen (sollten), heiût in der Zoologie Torpor. Torpor ist mit einem Inaktivitåtszustand verknçpft. Fledermåuse in unseren Breiten jagen nur wenige Wochen im Jahr, tåglich fçr wenige Stunden. Das muss ihnen fçr den Rest des Tages im Sommer, fçr die Aufzucht der Jungen, fçr Herbst, Winter und Frçhjahr gençgen. Ohne Torpor und Winterschlaf wåre das nicht zu machen. Die Evolution hat wohl auch deshalb groûe Tiere hervorgebracht, weil sie mit Energie besser

haushalten kænnen. Nicht nur ist ihr Grundumsatz relativ kostengçnstiger, auch die Kosten der Lokomotion sind, bezogen auf Gramm Kærpergewicht, bei groûen Tieren geringer als bei kleinen (s. Kapitel 2.5.6). Die Ursachen fçr dieses Gesetz der spezifischen Stoffwechselreduktion war lange Jahre Gegenstand wissenschaftlicher Kontroversen. Mehrere Erklårungsversuche wurden angeboten. Drei Erklårungsversuche, die am meisten Zuspruch gefunden haben, werden im Folgenden diskutiert. Alle drei haben das Argument fçr sich, plausibel zu sein, alle drei sind jedoch fçr sich allein unzulånglich und schlieûen sich wechselseitig nicht aus. Vielleicht ergånzen sie sich zu einem leidlich befriedigenden Gesamtbild. Zuvor ein paar Worte zur Darstellung von Zusammenhången in der Physiologie. ¹Kurvenª werden in der Physiologie håufig (auch) als Geraden

2.5 Energieumsåtze

gezeigt, so dies mæglich ist. Die relative Stoffwechselrate, ob als Sauerstoffverbrauch pro Gramm Kærpermasse und Stunde gemessen, oder in Watt umgerechnet, nåhert sich bei linearer Darstellung asymptotisch einem Minimalwert (Abb. 2.7). Asymptotische Kurven sind unbeliebt, da man im fast horizontalen Teil der Kurve die Ordinatenwerte nicht mehr genau ablesen kann. Håufig gelingt jedoch die Umformung einer Kurve in eine Gerade, wenn sowohl Abszisse (X-Achse) als auch die Ordinate (Y-Achse) logarithmisch skaliert werden. So ist dies auch im Fall der MausElefanten-Kurve (Abb. 2.8). Dabei zeigt sich auch der besagte Zusammenhang viel deutlicher. Wçrde bei doppeltem Kærpergewicht auch die Stoffwechselrate doppelt sein, håtte die Gerade die Steigung 1,0. Die tatsåchliche Steigung ist jedoch nur 0,71±0,75. Erklårungsmodell Oberflåche. Da bei jeder Energieumsetzung etwas Wårme entsteht, Organismen jedoch gegen die Umwelt nicht (vollståndig) thermisch isoliert sind, verlieren sie im Regelfall Wårme. Bei gegebener Temperaturdifferenz und Wårmeleitfåhigkeit ist die Wårmeabgabe eine Funktion der Oberflåchengræûe. Bei einer Kugel wie bei einem Quader ist die Oberflåche eine Funktion der 2. Potenz des Radius bzw. der Kantenlånge, das Volumen dagegen eine Funktion der 3. Potenz (Abb. 2.9). Entsprechend wird die Oberflåche bei zunehmender Masse des Kærpers relativ geringer. Sie steigt mit der 2/3 (0,67) Potenz der Masse. Wåre die relative Oberflåchenverringerung die einzige Ursache der relativen Stoffwechselreduktion, mçsste der Graph nicht eine Steigung von 1 sondern von 0,67 haben. Gewiss, Såuger sind keine Kugeln und keine Quader. Messungen haben aber ergeben, dass ihre Oberflåche tatsåchlich mit einem Potenzwert von 0,63 proportional zur Kærpermasse ist. Der Graph der Stoffwechselintensitåt, errechnet nach dem Sauerstoffverbrauch, zeigt freilich nicht eine Steigung von 0,63, sondern von 0,75 (Abb. 2.8). Nach anderen Messungen gilt speziell fçr Såuger ein Exponent von 0,71 (da es sich um eine Exponentialfunktion handelt, ist dieser Unterschied nicht gering).

Abb. 2.9. Verhåltnis von Oberflåche zur Masse bei einer Kugel und einem Quader

Auch wenn man einen Wert von 0,75 oder 0,71 als gute Annåherung zum Erwartungswert von 0,63 akzeptieren wollte, so erstaunt denn doch, dass eine åhnliche Beziehung im ganzen Tierreich gefunden wird, z. B. auch bei Fischen in warmen Gewåssern, die ihre Kærpertemperatur ihrer Umgebung anpassen und daher nur wenig Wårme verlieren sollten. Daher wurde nach anderen oder ergånzenden Erklårungen gesucht. Erklårungsmodell tote Masse. Groûe Tiere mçssen aus statischen Grçnden tragende Skelettstrukturen verstårken. Wenn wir am Bildschirm des PC ein Tier mittels Maus und Zoomfunktion auf die doppelte Hæhe vergræûern, ist dies kein Problem. In der realen Natur håtte indes eine Verdoppelung der Hæhe und Breite bei gleichbleibenden Kærperproportionen schwergewichtige Folgen. Bei einer Verdoppelung der Kærperdimension stiege die Masse um den Faktor acht. Eine solche Massenzunahme verlangte entsprechend massigere Knochen. Also sind bei groûen Tieren Skelettstrukturen çberproportional verstårkt. Skelettstrukturen verlangen keine hohen Stoffwechselraten, auch wenn sie keinesfalls tot sind und laufend ± aber langsam ± erneuert werden mçssen. Der Reparatur- und Erhaltungsaufwand ist nicht allzu hoch. Die Stoffwechselintensitåt kann bezogen auf das Gewicht reduziert sein. Erklårungsmodell Syntheseleistung. Kleine Organismen stecken mehr Energie in hæhermole-

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

kulare, energiereiche organische Syntheseprodukte als groûe. Viel vom ATP, das in der biologischen Oxidation gewonnen wurde, wird fçr Syntheseleistung eingesetzt. Diese Leistung wird allerdings nicht als Gewichtszunahme erkennbar, vielmehr werden viele dieser Substanzen exportiert zur Erzeugung von Nachkommen. Kleine Lebewesen erzeugen in der Regel rascher und mehr Nachkommen als groûe. Im Extremfall verliert ein Einzeller, der sich teilt, die Hålfte seiner Masse. Innerhalb der Såuger wird eine Spitzmaus relativ zu ihrer Græûe erheblich mehr an Masse in Form von Nachwuchs ¹exportierenª als ein Pferd oder ein Gorilla. Nimmt man diese exportierte Masse mit ins Kalkçl, wird verståndlich, weshalb kleine Lebewesen relativ mehr Energie und Materie aufnehmen und umsetzen mçssen als groûe. Freilich, fçr månnliche Tiere gilt dieses letzte Argument kaum. Also haben die zuvor gebotenen Erklårungsversuche mehr Gewicht.

2.5.6 Schwimmen, Laufen, Fliegen: was kostet mehr? Der Sportler, mehr aber noch der Zoologe, der sich mit Biomechanik und Bioenergetik befasst, mæchte gerne wissen, was mehr Kraft und daher Energiereserven kostet: das Schwimmen, das Gehen und Springen, oder das Fliegen? Spontan wird man wohl das Fliegen an erste Stelle setzen wollen; denn es dçrfte gewichtige Grçnde haben, warum selbst Flugsaurier gemessen an Landsauriern und so manchen Såugetieren klein waren, und auch ein durchtrainierter Sportsmensch betråchtliche Schwierigkeiten hat, sich mit eigener Muskelkraft in die Lçfte zu hieven. Bezogen auf den Ruheumsatz gilt dies auch. Bei Vægeln liegt der aerobe Energieumsatz im Flugbetrieb ca. 12 fach, bei Bienen 40 fach und bei Schwårmern (Schmetterlinge, Sphingidae) im Schwirrflug 130±170 fach çber dem Basalstoffwechsel.

Abb. 2.10. Geschåtzte Kosten fçr die Bewåltigung einer Distanz von 1 km, in Abhångigkeit vom Kærpergewicht

2.5 Energieumsåtze

Anders sieht jedoch die Bilanz aus, wenn man die pro Zeit zurçckgelegte Wegstrecke zum Maûstab der Effektivitåt macht. In solchen Rankings ist Schwimmen die sparsamste Art der Fortbewegung, gefolgt vom Fliegen, und dann folgt erst das Laufen (Abb. 2.10). Der schwimmende Thunfisch, der Rekordgeschwindigkeiten von 70 km/h erreicht, muss kaum Energie fçr Auftrieb aufbringen und kann alle Energie in Vortrieb investieren. Fliegen erfordert zwar enorme Treibstoffkosten Zusammenfassung des Kapitels 2 Als wesentliche Energiequellen stehen der einzelnen Zelle dem Blut entnommene Glucose sowie in der Zelle oder andernorts gespeicherte Makromolekçle zur Verfçgung. Sowohl Kohlenhydrate und Lipide wie auch Proteine werden so zerlegt und die niedermolekularen Bestandteile so modifiziert, dass sie mit Glucose in einen gemeinsamen zentralen Abbauweg eingeschleust werden kænnen. In diesem wird den verschiedenen Substanzen Energie entzogen und in den universell einsetzbaren, niedermolekularen Energietråger ATP çberfçhrt. Dieser zentrale Weg umfasst die im Cytosol ablaufende Glykolyse und die in den Mitochondrien ablaufenden, miteinander gekoppelten Prozesse des Citratcyclus und der Atmungskette. Wesentliche Prozesse, die zum Freisetzen von Energie fçhren, sind Aufbrechen kovalenter Bindungen und Redoxprozesse, das heiût Entzug von Elektronen (Oxidation) und ihre Ûbertragung auf einen Tråger (Reduktion), der auch nach Beladung mit diesen Elektronen immer noch ein geringeres Energiepotential hat als der Elektronenlieferant. In der Glykolyse kænnen aus dem Energiepotential der Glucose durch ihre Spaltung zwei C3-Kærper (schlussendlich Pyruvat oder Lactat) lediglich 2±4 ATP gewonnen werden, in den Mitochondrien werden durch Redoxprozesse 38 weitere ATP gewonnen.

fçr die Erzeugung von Auftrieb in der dçnnen Luft, die hohen erreichbaren Geschwindigkeiten bringen den Kærper aber sehr schnell ans Ziel, sodass die Gesamttransportkosten pro Wegstrecke geringer sind als beim Laufen. Abb. 2.10 zeigt uns aber auch, dass groûe Tiere eine gegebene Wegstrecke mit weit geringerem Energieaufwand bewåltigen als kleine. Eine Ameise wird keine Savanne durchqueren, wohl aber ein Zebra oder eine fliegende Wanderheuschrecke. Im Citratcyclus der Mitochondrien (und zum Teil im vorbereitenden Schritt Pyruvat ? Acetyl-CoA) werden den Metaboliten der Glucose (2´ Acetyl-CoA) nach deren Kopplung an das Trågermolekçl Oxalacetat 24-mal Wasserstoffatome mitsamt den Bindungselektronen entzogen; diese werden vorçbergehend auf NAD+ çbertragen. Der çbrig bleibende Kohlenstoff erscheint als CO2 in der ausgeatmeten Luft. Die Elektronen werden von NAD den Redoxsystemen der Atmungskette zugefçhrt und von diesen auf molekularen, der Atemluft entnommenen Sauerstoff çbertragen. Unter Einbezug von Wasser entstehen im Mitochondrien-Innenraum (¹Matrixª) aus den negativ aufgeladenen Sauerstoffradikalen pro ursprçnglich investierter Glucose 24 OH±-Ionen. Die 24 dem Substrat entzogenen, nun ihrer Elektronen beraubten Wassertoffkerne erscheinen als H+ (Protonen) im Raum zwischen innerer und åuûerer Mitochondrienmembran. Damit ist çber der inneren Mitochondrienmembran ein pH-Gefålle und zugleich ein elektrisches Potential (auf der einen Membranseite 24 OH±, auf der anderen 24 H+) hergestellt. In diesem Gefålle steckt der græûte Teil der von der Glucose gelieferten Energie. Wåhrend die Protonen durch einen Generator namens ATP-Synthase in den Innenraum zurçckstræmen, wo sie sich mit den 24 OH± zu 24 H2O verbinden, liefern sie diese Energie an die ATPSynthase ab. Diese nutzt sie, um 38 ATP-Akkus aufzuladen.

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2 Energieumsetzung und Energiehaushalt

Ein groûer Teil (40±60%) der investierten Energie geht allerdings unmittelbar als Wårme verloren, ein weiterer groûer Teil, nachdem sie ihre Arbeit verrichtet hat. Daher ist die im Kalorimeter gemessene Wårmeproduktion ein gutes Maû des Energieumsatzes. Ein anderes, oder zusåtzliches und besser erfassbares Maû ist die Menge des ausgeatmeten CO2 und des verbrauchten O2. Entsprechende Versuchsanordnungen ergeben, dass der Mensch im Grundumsatz der Ruhe tåglich sein Kærpergewicht an ATP verbraucht (und wieder synthetisieren muss) und laufend 80 Watt physikalische Leistung erbringt. Bei groûer kærperlicher Anstrengung kann die Leistung auf çber 2000 Watt ansteigen. Aus dem Respiratorischen Quotienten, Menge an ausgeatmeten CO2 durch Menge an verbrauchtem O2, kann auch auf die Art der verfeuerten Nahrungsreserve geschlossen werden. Fett ist besonders ergiebig, ist

leicht und liefert bei seiner ¹Verbrennungª relativ viel Oxidationswasser (1 Liter pro 1 kg). Vergleichende Messungen des Energieumsatzes zeigen, dass kleine Tiere pro Gramm Kærpermasse erheblich mehr Energie aufbringen und deshalb mehr Nahrung zu sich nehmen mçssen als groûe. Mit steigendem Kærpergewicht nimmt der Energiebedarf, bezogen auf g Kærpergewicht, ab. Es werden u. a. geringerer relativer Wårmeverlust wegen geringerer relativer Oberflåche, græûere Masse an metabolisch inaktiven Skelettstrukturen und geringerer Export von Substanz in Nachkommenschaft verantwortlich gemacht. Auch die Kosten fçr Fortbewegung bezogen auf eine Streckeneinheit sind bei græûeren Tieren geringer als bei kleinen. Fliegen ist teuer, doch nicht, wenn die pro Zeit zurçckgelegte Strecke zum Maû gewåhlt wird.

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Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

Zellen sind Energiewandler. Sie verrichten viel Arbeit bei biochemischen Synthesen. Darçber hinaus wandeln sie chemische Energie in mechanische oder elektrische um. Die Mæglichkeiten einer Energietransformation sind auûerordentlich vielfåltig. Wir werden die Erzeugung elektrischer Spannung in der Einfçhrung zur Muskel-, Nerven- und Sinnesphysiologie erlåutern (s. Kap. 14). Hier soll beispielhaft auf die Arbeitsweise einiger molekularer Maschinen eingegangen werden, die im intrazellulåren Geschehen als Motoren fungieren, Molekçle und Organellen bewegen und der einzelnen Zelle erlauben, sich aktiv zu verformen. Alsdann werden die verschiedenen Mæglichkeiten betrachtet, wie sich Stoffe durch Membranen treiben, sieben, schleusen und pumpen lassen.

l

Im Zuge der Mitose werden die kondensierten Chromosomen erst in die Øquatorialebene und anschlieûend zu zwei gegençberliegenden Zellpolen geschoben und gezogen.

l

Sekretorische Vesikel werden vom Golgi-Komplex zur Zelloberflåche oder zur Synapse transportiert.

l

Bei Tieren, die das Farbmuster ihrer Haut veråndern kænnen, werden in Pigmentzellen Melaningranula oder andere Pigmente dispergiert oder zusammengeballt.

l

Schlieûlich werden verschiedene Zellen mit ¹Propellernª, d. h. Cilien oder Flagellen (lange Cilien), ausgestattet; andere Zellen werden in toto zu kontraktilen Maschinen: zu Muskelzellen. Diese Spezialzellen, die die Beweglichkeit ganzer Kærperpartien und des ganzen Individuums vermitteln, werden im Kapitel 16 (Physiologie der Effektoren) behandelt. Hier soll vor allem die Erzeugung intrazellulårer mechanischer Energie zum Transport von Molekçlen und Organellen diskutiert werden.

3.1 Molekulare Motoren und intrazellulårer Transport 3.1.1 Molekulare Motoren erzeugen in der Zelle Kråfte fçr Bewegungen und Transport Zellen sind nur in Lehrbuchzeichnungen statische Gebilde. In der lebenden Zelle gibt es unablåssig Bewegung, nicht nur ungerichtete Brownsche Molekularbewegung, sondern auch gerichtete Bewegung von Molekçlen, Molekçlaggregaten und Organellen. Vieles wird zielgerichtet transportiert. Einige wenige Beispiele: l Messenger RNA wird aus dem Kernraum çber die Kernporen ins Cytoplasma befærdert, Histone und regulatorische Proteine werden umgekehrt in den Kernraum geschleust.

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Definition: Motoren sind Systeme, die chemisch gespeicherte Energie in einem zyklischen Prozess in kinetische Energie umwandeln. Beispielsweise wird oft ein bewegliches Molekçlteil in Schwingungen versetzt, indem periodisch ATP an den schwingenden Teil angekoppelt und anschlieûend in ADP und Pi gespalten wird. Diese ATP-Spaltung gibt dem Pendel, bildlich gesprochen, einen Schubs. Die Spaltprodukte werden abgekoppelt; neues ATP wird angekoppelt und ein neuer Zyklus beginnt.

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3 Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

3.1.2 Es gibt zwei basale Mechanismen des kraftvollen Bewegens: die Verlångerung von stabfærmigen Gebilden durch Polymerisation und das Hin- und Herpendeln von Molekçlarmen Von Sonderfållen abgesehen, die wir weiter unten diskutieren wollen, beruhen Bewegungen auf der Umwandlung von chemischer Energie, die im Regelfall in ATP gespeichert ist, in kinetische Energie. Gewiss ± doch wie geschieht das? Zunåchst mçssen wir unterscheiden, welche Kråfte entfaltet werden sollen. Es gilt als Faustregel: l

Fçr die Erzeugung von Schubkråften eignet sich besonders die Verlångerung der starren Mikrotubuli, aber auch die Verlångerung der relativ rigiden Actinfilamente.

l

Fçr die Erzeugung von Zugkråften eignen sich zyklisch arbeitende ATPase-Motoren, die sich entlang von Actinfilamenten oder Mikrotubuli vorwårts bewegen und dabei eine Last mit sich ziehen. 3.1.3 Mikrotubuli und Actinfilamente erzeugen Schubkråfte nach der ¹Tretmçhlmethodeª, z. B. zum Verschieben von Chromosomen oder zum Ausstrecken von Zellfortsåtzen

Mikrotubuli sind starre Ræhren, die durch Polymerisation von Tubulin-Einheiten entstehen. Die Ræhren werden durch Anbau von Tubulin-Dimeren am Plus-Ende der Ræhre verlångert, durch Wegnahme von Tubulin-Dimeren am Minus-Ende verkçrzt (Abb. 3.1). Damit ergeben sich zwei fçr die Zelle interessante Mæglichkeiten: 1. Durch simultanen Abbau am Minusende und Anbau am Plus-Ende kann ein Mikrotubulus nicht nur in seiner Långe wachsen oder schrumpfen, sondern auch sich fortbewegen. Er wåchst an einem Ende und schrumpft gleichzeitig am anderen Ende. Vorne am PlusEnde werden mit GTP beladene Tubulin-Dimere angekoppelt. Nach und nach verschiebt sich

Abb. 3.1. Mikrotubulus-Motor, nach dem Tretmçhlenprinzip (treadmilling) arbeitend

die relative Position eines Dimers. Es ¹wandertª von vorn durch den Tubulus hindurch nach hinten. Wåhrend dieser Verlagerung wird GTP zu GDP hydrolysiert. Das an den TubulinDimeren haftende GDP lockert den Zusammenhalt der Dimere untereinander, sodass am Minus-Ende Dimere abdriften kænnen. Die sich am Hinterende ablæsenden Dimere diffundieren umher und stehen nach Beladung mit GTP zur Verlångerung des Plus-Endes wieder zur Verfçgung (Abb. 3.1). Man nennt dies Tretmçhlmethode (treadmilling). 2. Ist ein Mikrotubulus ortsfest fixiert und berçhrt sein Plus-Ende einen Gegenstand, z. B. das Kinetochor eines Chromosoms, so kann durch Einschieben von Tubulin-Dimeren am Plus-Ende (oder hinter dem Plus-Ende) eine Schubkraft auf den Gegenstand ausgeçbt werden.

3.1 Molekulare Motoren und intrazellulårer Transport

Auch Actinfilamente sind starr genug, um zum Beispiel das Ausstçlpen der Zellmembran bei der Bildung von Mikrovilli und von Pseudopodien zu unterstçtzen. Auch bei ihnen kænnen Einheiten (in diesem Fall G-Actin-Monomere) am wachsenden Ende angelagert werden. Energie liefert hierbei ATP. Letztlich stammen die Schubkråfte von der Hydrolyse von ATP bzw. GTP. Die Verlångerung von Mikrotubuli und Actinstrången gegen mechanischen Widerstand verlangt eine kråftige Energiequelle. 3.1.4 Hebelarmmotoren: Myosin-Motoren çben rhythmisch schwingende Zugkråfte auf Actinfilamente aus Actin und Myosin findet man nicht nur in Muskelzellen, sondern in den meisten animalen Zellen, wenn auch nicht zu jenen auffålligen Myofilamenten gebçndelt, welche die quergestreifte Muskelzelle (s. Kap. 16) kennzeichnen. Das Wort Myosin ist, im Singular gebraucht, irrefçhrend; denn es gibt nicht nur eine Sorte von Myosin; es sind in Såugern 18 Varianten gefunden worden. Hier betrachten wir nur zwei Varianten, in denen Myosin als Dimer (oder multimeres Aggregat) vorliegt und entsprechend ¹Doppelkæpfeª oder zwei ¹Hebelarmeª hat (oder ¹Beineª, je nach dem Bild, das man sich macht). Die ¹Hebelarmeª (lever arm) dieser Motorproteine pendeln periodisch hin und her, wobei die Hånde in jeder Schwungphase das Actinfilament ergreifen und ein Stçck bewegen ± so wie die Arme eines Seemanns ein Tau Stçck fçr Stçck heranziehen. Bei der Rçckwårtsbewegung der Arme wird jeweils unter ATP-Verbrauch im Myosin-Dimer eine Feder gespannt, die beim Loslassen nach vorne schnellt und Zugkråfte auf das Actinfilament ausçbt (power stroke). Der Myosin-Motor ist Paradebeispiel fçr ein zyklisch arbeitendes System (Abb. 3.2 a). l

Das Myosin II in der Muskelfaser bewegt Actinstrånge aufeinander zu. Wenn man zwei (oder

mehr) Myosindimere mit entgegengesetzter Polaritåt miteinander verbindet, kann man zwei Actinfilamente aufeinander zu ziehen (Abb. 3.2 b). Das wird ausgiebig in einer Muskelzelle getan. l

Das Myosin V ist in vielen Zelltypen tåtig, besonders in Zellen, die Endocytose betreiben und in Zellen, die sich mittels Pseudopodien (Filopodien, Lamellipodien) in die Långe strecken oder fortbewegen. Myosin V kann in der Zelle Actinstrånge gegeneinander verschieben, wobei ein Hebelarm einen Actinstrang in diese Richtung, der andere Hebelarm einen benachbarten Actinstrang in Gegenrichtung schiebt (Abb. 3.2 c, nach Tanaka-Takiguchi et al. 2004).

Eine Besonderheit der Myosinmotoren ist, dass jeder einzelne Hebelarm vorçbergehend den Kontakt zum Actinfilament aufgibt, um neu ausholen zu kænnen. Eine långer anhaltende Zugwirkung ist deshalb nur mæglich, wenn mehrere Myosine gebçndelt werden und die Hebel nicht synchron, sondern abwechselnd den Actinstrang loslassen und neu ausholen. Hingegen behalten die nachfolgend besprochenen Kinesin- und Dyneinmotoren stets Kontakt zur Schiene, an der sie sich entlang bewegen. Niemand kann die Bewegung molekularer Motoren direkt unter dem Mikroskop sehen. Dazu sind die Strukturen viel zu klein. Aufnahmen mit Elektronenmikroskopen und Geråtschaften, die Ræntgenbeugungsmuster oder Kernspinvektoren erfassen, erfordern, dass die Strukturen chemisch fixiert werden. Was als Modell vorgestellt wird, so auch in Abb. 3.2 bis Abb. 3.5, ist indirekt erschlossen und daher im Detail durchaus noch strittig.

3.1.5 Schreit- oder Gleitmotoren: Kinesin und Dynein bewegen sich, wie man annimmt, wie Schlittschuhlåufer Auch Kinesine und Dyneine liegen als Dimere vor und haben zwei ¹Beineª oder ¹Armeª, åhnlich den Myosin-Dimeren. Zur Zeit dominieren Modelle, nach denen sich diese Motoren kontinuierlich entlang einer Schiene, hier entlang eines Mikrotu-

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3 Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

Abb. 3.2 a±c. Actin-Myosin-Motor, nach dem Hebelarmprinzip (lever arm) arbeitend. a Ein Arbeitszyklus. b Doppelmotor mit Myosin-Tetramer, der es erlaubt, Actinfilamente auf-

einanderzu zu bewegen, c Verschieben zweier Actinfilamente gegeneinander durch cytoplasmatisches Myosin V

3.1 Molekulare Motoren und intrazellulårer Transport

Abb. 3.3. Kinesin und Dynein als Gleit- bzw. Schreitmotoren. Einer der beiden ¹Fçûeª hat stets Kontakt zum Substrat, hier zu einem Mikrotubulus (processive walking). Die Energie zur Streckung des ¹Beinsª beim Ausschreiten und zur anschlieûenden kraftvollen Abwinkelung des ¹Beinsª wird von ATP

bereitgestellt. Nach dem Abdriften des verbrauchten ADP hat der ¹Fuûª vorçbergehend feste Verbindung zum Substrat, bis neues ATP die Verbindung wieder læst und die nåchste Vorwårtsbewegung des ¹Beinsª einleitet

bulus, fortbewegen (processive motion) und dabei eine Last (cargo) mit sich ziehen. Dabei soll, wie beim Gehen oder Schlittschuhlaufen, abwechselnd dieses und dann das andere Bein vorgezogen werden, stets aber ein Bein Kontakt zum Substrat behalten, um ein Abstoûen zu ermæglichen (Abb. 3.3). Statt mit Beinen låsst sich bildhaft

ebenso gut mit Armen operieren. Man greift dann Hand çber Hand (hand over hand) am Mikrotubulus an, und versucht sich an ihm entlang zu ziehen. Die Energie fçr den Vorschub liefert auf jeden Fall, wie sollte es anders sein, ATP. Jeder Schritt bzw. Armzug hat eine Phase, die Energie benætigt und ein ATP verbraucht (power stroke).

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3 Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

Abb. 3.4. Dynein-Motor eines Ciliums. Die Dyneinmotoren versuchen benachbarte Doppelmikrotubuli gegeneinander zu verschieben. Da die Doppel-Mikrotubuli jedoch an ihrer Basis unbewegbar fixiert sind, kommt es statt zu einer Långsverschiebung zu einer Abbiegung

Dynein ist auch der Krafterzeuger in Cilien und Flagellen (Flagellum = langes Cilium), wobei es benachbarte Mikrotubuli (hier als Doppelræhren ausgebildet) im Cilienschaft gegeneinander verschiebt (Abb. 3.4). Dynein-Aggregate sind in linearer Anordnung eins nach dem anderen entlang zweier benachbarter Doppelræhren aufgereiht. Wåhrend ein Ende eines jeden Dynein-Dimers an dem einen Doppelrohr angeheftet ist, versuchen seine beweglichen Arme, sich an dem benachbarten Doppelrohr entlang zu ziehen. In den Cilien sind die Mikrotubuli jedoch an ihrer Basis im Zellinneren am Cytoskelett fixiert, sodass sie sich nicht çber græûere Distanz gegeneinander verschieben lassen. Die Zugkråfte der Dyneinarme erzeugen deshalb Biegemomente, die das Cilium abbiegen lassen (Abb. 3.4). Die Dyneinarme wirken auf kleinem Raum wie eine Bogensehne, die den Flitzebogen spannt. Indem die Armbewegungen metasynchron wie Ola-Wellen im Sportstadium durch das Cilium laufen, wird eine wandernde Biegewelle erzeugt. Diese wandernde Transversalwelle macht das Cilium zu einem Vortrieb-erzeugenden Ruder.

Abb. 3.5. Kinesin-Motor zum Transport von gefçllten Vesikeln, beispielsweise im Axon einer Nervenzelle vom ER-Golgi-Apparat in Richtung Synapse, und Rçcktransport der Verpackung (fallweise gefçllt mit Transmitter-Abbauprodukten) mittels eines DyneinMotors zum Syntheseort zwecks Recycling

3.2 Passage und Transport von Substanzen durch Membranen

3.1.6 Kinesin-Motoren und Dynein-Motoren bewegen Vesikel in Nervenfasern entlang von Mikrotubuli, Kinesin-Motoren in diese Richtung, Dynein-Motoren in die Gegenrichtung In Nervenzellen sollen mit Transmittern beladene Vesikel vom zentral gelegenen Golgi-Komplex mæglichst rasch dem Axon entlang zur Synapse transportiert werden (Abb. 3.5; s. auch Abb. 15.2). Aber auch fçr die Gegenrichtung gibt es Transportbedarf. Gebrauchte Transmitter und Vesikel als Verpackungsmaterial werden zwecks Recycling von der Synapse in den zentralen Zellbereich zurçckbefærdert (retrograder Transport). Auch Ûberlebensfaktoren, die an Synapsen aufgenommen werden, kænnen dem zentralen Zellbereich mit seinem Kern zugeleitet werden. Fçr den Transport vom Zentrum in die Peripherie, z. B. zur Synapse, sind in der Regel Kinesin-Proteine (Kinesin-ATPasen) zuståndig; fçr die Gegenrichtung Dynein-ATPasen. Beide benutzen Mikrotubuli als Schienen. Fçr Hin- und Rçcktransport werden unterschiedliche Motorproteine gebraucht, weil die Mikrotubuli zwischen ihrem Minus- und Plusende eine Polaritåt aufweisen (am Plusende kann ein Mikrotubulus wachsen, am Minusende schrumpfen; s. Abb. 3.1). Ein Motor, der sich von Minus nach Plus bewegen kann, kann dies nicht auch in der Gegenrichtung. Auch kann das Kinesin-Dimer mit der Zellmembran verbunden sein und eine Relativbewegung von Zellmembran und Mikrotubulus vermitteln. Auf diese Art kann ein Stçck der Zellmembran çber das Cytoskelett gezogen werden, so wie man ein Zeltdach çber das Tragegestånge verschieben kann.

3.2 Passage und Transport von Substanzen durch Membranen Eine lebende Zelle kann ihre innere Ordnung nur aufrechterhalten, wenn sie sich råumlich von ihrer Umgebung abschirmt. Auch sind viele Prozes-

se dadurch erleichtert oder erst ermæglicht, dass die Zelle in ihrem Inneren besondere Reaktionsråume abgrenzt, wie z. B. Mitochondrien und das Ræhrensystem des Endoplasmatischen Reticulums. Andererseits mçssen Zellen gegençber der Umwelt auch selektiv offen sein, beispielsweise um energiereichen Substanzen Einlass zu verschaffen und energiearme Endprodukte aus dem Stoffwechsel an die Umwelt zu entlassen.

3.2.1 Nur wenige kleine und zugleich lipophile Substanzen kænnen Membranen ohne Hilfe passieren; die meisten Substanzen mçssen mit besonderen Translokatoren durchgeschleust werden Zellmembranen sind in ihrer Grundstruktur aus Phospholipid-Doppelschichten aufgebaut (Abb. 3.6). Die Fettsåureschwånze eines Phospholipidmolekçls sind apolar, d. h. sie sind gegençber ihrer Umgebung gleichfærmig elektrisch neutral. Sie sind deswegen auch hydrophob = wasserscheu, und zugleich lipophil = lipidliebend. Furcht vor dem Wasser einerseits und Homophilie andererseits veranlasst die Fettsåureketten der Phospholipide, sich im feindlichen Milieu des Wassers zusammenzuscharen und eine Doppelschicht aufzubauen, in die so leicht keine Wassermolekçle eindringen und die nicht jedermann passieren kann. Zwei physikalische Eigenschaften bestimmen, ob ein Molekçl ohne besondere Hilfen Membranen durchdringen kann oder nicht: seine Græûe und seine Polaritåt. Dass sich kleine Molekçle eher zwischen die Phospholipidmolekçle der Membran drångeln kænnen als groûe, versteht sich von selbst ± vorausgesetzt, sie sind nicht ausgesprochen polar! Ein Molekçl ist polar, wenn die intramolekularen elektrischen Ladungen so verteilt sind, dass sich positive und negative Ladungen nach auûen nicht vollståndig aufheben. Polare Molekçle sind wasserlæslich: sie sind hydrophil = wasserliebend, und zugleich lipophob = lipidscheu.

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3 Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

Abb. 3.6. Molekulare Struktur der Zellmembran. Typisches Phospholipid (Phosphatidylcholin = Lecithin) und BilayerGrundstruktur einer biologischen Membran

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Faustregel: l Organische Molekçle sind apolar (fettlæslich), wenn sie ausschlieûlich oder çberwiegend nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen; l sie sind polar (wasserlæslich), wenn sie auûer Kohlenstoff und Wasserstoff auch Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor enthalten. Je mehr Sauerstoffatome im Molekçl enthalten sind, desto græûer sind seine Polaritåt und Wasserlæslichkeit.

Polar und damit hydrophil sind Wassermolekçle selbst. Am stårksten polar sind Elektrolyte, das sind kleine anorganische Ionen: elektrisch positiv geladene Kationen (Na+, K+, Ca2+ etc.) und elektrisch negativ geladene Anionen (Cl±, Phosphat HPO2± 4 ). Polare Molekçle kænnen pure Lipidmembranen nicht oder nur in sehr geringem Maûe passieren. Ohne besondere Hilfen kænnen folglich nur wenige Molekçle durch Membranen diffundieren. Zu diesen wenigen gehæren molekularer Sauerstoff O2, Stickstoff N2, Ammoniak NH3, Stickoxid NO und eben noch CO2. Schon bei Wasser H2O wird es problematisch. Zwar wird allgemein angenommen, Wassermolekçle kænnten trotz ihrer polaren Natur durch Zellmembranen diffundieren. Vermutlich schlçpfen viele Wassermolekçle (und CO2-Molekçle) durch Kanåle, die fçr Ionen oder andere Substanzen vorgesehen sind. Ionenkanåle enthalten eine zentrale Pore, in der sich Wassermolekçle recht gut bewegen kænnen. Die Permeabilitåt einer puren Phospholipid-Doppelschicht ist zu gering, um græûere Mengen Wasser in angemessener Zeit in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus stræmen zu lassen. Im Bedarfsfall mçssen spezielle Wasserkanåle (Aquaporine) in die Membran eingebaut werden. Solche lange Zeit hypothetisch geforderten Kanåle kennt man heute. Viele Wasserkanalproteine sind molekularbiologisch kloniert und sequenziert. Wasserkanåle sind fçr den Wassertransport in der Niere sowie fçr die Regulation des Zellvolumens von Bedeutung. Wenn schon Wassermolekçle Mçhe haben, Membranen zu durchdringen, muss dies in noch hæherem Maûe fçr stårker polare und græûere Molekçle gelten. Ionen wie Na+, K+, Cl±, HPO2± 4 , aber auch organische Anionen wie Pyruvat, Lactat und Citrat durchdringen ohne besondere Hilfen Zellmembranen nicht. Die Permeationsfåhigkeit ist umso geringer, je græûer ein Molekçl ist und je mehr elektrische Ladung es trågt. Praktisch bedeutet dies: Wir brauchen fçr anorganische Ionen, fçr Aminosåuren, Zucker und Nukleotide besondere Carrier (synonym: Translokatoren, Transporter, Permeasen) und erst recht

3.2 Passage und Transport von Substanzen durch Membranen

fçr hæhermolekulare Substanzen, die aus polaren Einheiten aufgebaut sind: Polypeptide, Kohlenhydrate, Nukleinsåuren und Mischpolymere aus solchen Einheiten. 3.2.2 Lipophile Substanzen gelten als permeabel; sind sie es? Eine vielgeåuûerte Auffassung sagt, lipophile Substanzen wie etwa die Steroidhormone kænnten ohne besondere Schwierigkeiten durch Zellmembranen diffundieren. Richtig ist, dass sie leicht in die Membran hinein schlçpfen und sich zwischen die Phospholipidmolekçle zwången kænnen. So leicht verlassen sie aber die vielgeliebte Lipidgemeinschaft nicht wieder. Warum sollten sie ins ungeliebte wåssrige Cytosol hinein diffundieren? Einige Molekçle werden, von ihrer thermischen Energie getrieben, auch ins Cytosol gelangen. In græûerem Umfang treten lipophile Substanzen aber nur ins Zellwasser ein, wenn in der Membran Såttigungsdruck herrscht oder durch Abfangen der Lipidmolekçle im Cytosol durch besondere lipidbindende Proteine ein hohes Konzentrationsgefålle zwischen membrangelæsten und wassergelæsten Lipiden aufrechterhalten bleibt. Wie auch immer: die Permeationsfåhigkeiten der Substanzen sind sehr unterschiedlich. Biologische Membranen sind auch ohne Bestçckung durch Proteine schon selektiv permeabel. In die Membran integrierte Proteine erhæhen die Selektivitåt und wirken gegebenenfalls als spezielle Poren, Translokatoren oder Pumpen. Im Folgenden werden Permeations- und Translokationssysteme systematisch diskutiert. 3.2.3 Passive Permeation per Diffusion kann çber Zellmembranen hinweg durchaus sehr rasch erfolgen; doch dann nimmt die Wandergeschwindigkeit rapide ab Diffusion ist die Ausbreitung von Molekçlen dank ihrer thermischen Bewegung. Permeation ist das Hindurchtreten von Molekçlen durch eine

Membran per Diffusion. Fçr N2, O2, CO2 und åhnliche gut diffusible Substanzen gilt: Der Flux oder Diffusionsstrom, d. h. die Menge der pro Zeit- und Flåcheneinheit çber die Membran diffundierenden Molekçle, ist eine Funktion der Konzentrationsdifferenz (bzw. des Konzentrationsgradienten dS/dx), ebenso wie der Wårmefluss eine Funktion der Temperaturdifferenz ist. Es gilt das Fick'sche Diffusionsgesetz (s. Kap. 8, Abb. 8.1). In seiner allgemeinen Form besagt dieses Gesetz, dass die Menge der Substanz S, die sich in einer Sekunde per Diffusion fortbewegt, proportional ist der ærtlichen Konzentrationsdifferenz und der zur Verfçgung stehenden Querschnittsflåche, hingegen umgekehrt proportional der Strecke, die die Molekçle per Diffusion çberwinden mçssen. Je nach dem Fall, den man betrachtet, kann die aktuelle Formel recht kompliziert sein. Fçr biologische Systeme sind insbesondere Diffusionsprozesse von Interesse, bei denen eine Substanz durch eine flåchige Grenzschicht (Zellmembran, Epithel) in einen Raum (Zellinneres, Blutgefåûe) hinein oder aus ihm heraus diffundiert. Wenn Diffusion von vitaler Bedeutung ist, wie bei Atemorganen, muss die Austauschflåche groû, die Diffusionsstrecke (z. B. Dicke der trennenden Epithelien) klein sein.

Ûber eine Membran hinweg kænnen die Molekçle in der Regel blitzartig diffundieren, sofern die Membran wenig Widerstand bietet; denn in der Regel ist çber die Membran hinweg die Konzentrationsdifferenz hoch. Ist aber die Membran passiert, verlangsamt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit enorm. Grund dafçr ist, dass die Molekçlschar sich von nun an in allen drei Raumrichtungen ausbreiten kann. Von einer Flåche (zwei Dimensionen) geraten die Molekçle in einen Raum (drei Dimensionen). Die Konzentration nimmt mit dem Quadrat der Entfernung von der Membran ab und damit auch die Diffusionsgeschwindigkeit. Eine doppelt lange Wegstrecke beansprucht die vierfache Zeit. Man kann sich mangels direkter Anschauung schwer vorstellen, wie rasch oder langsam Diffusion in Abhångigkeit von der zu bewåltigenden Strecke ist. Wie lange braucht es, bis sich der Zucker ohne Umrçhren und ohne Unterstçtzung

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3 Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme Tabelle 3.1. Durchschnittliche Diffusionsstrecke von Zuckerund Sauerstoffmolekçlen in unbewegter wåssriger Læsung und die dazugehærende Diffusionszeit. (Zuckerdaten aus verschiedenen Quellen; Sauerstoffdaten aus Penzlin 1996) Zucker 130 nm 1/30 000 s 1,3 lm 1/300 s 13,0 lm 1/3 s 130,0 lm 30 s 1,3 mm 1 Stunde 1,3 cm 100 Stunden Sauerstoff 8 nm (Dicke einer Zellmembran): 1,6´10±8 s 8 lm (Durchmesser Erythrocyt): 1,6´10±2 s 800 lm 2,7 Minuten 8 cm 18,7 Tage

durch thermische Konvektion in der Kaffeetasse gleichfærmig ausbreitet? Zur Verdeutlichung listet Tabelle 3.1 einige Werte auf (fçr Sauerstoff vermittelt auch Abb. 8.1 eine Vorstellung). Wichtige

Erkenntnis: Von einer ergiebigen Quelle weg ist Diffusion çber eine kurze Distanz von einigen lm blitzschnell, çber Strecken >1 mm unertråglich langsam. Theoretisch kalkulierte Werte kænnen aber tåuschen. Der Diffusionskoeffizient ist in der Zellmembran ganz anders als in Wasser. Fçr viele Molekçle ist er in der Membran nahe Null; die Membran ist dann fçr diese Molekçle impermeabel! 3.2.4 Kanåle und Carrier erleichtern die Diffusion und machen sie selektiv Wir çberlassen es Fachleuten zu streiten, ob zwischen Carrier (Transporter, Permease, Translokator) und Kanal ein Unterschied besteht (in Abb. 3.11 wird ein mæglicher Unterschied zwischen Kanal und aktivem Translokator angedeutet). Jedenfalls handelt es sich um membran-

Abb. 3.7. Diffusion durch eine Membran. Passive Diffusion und spezifische, ¹erleichterteª (facilitated) Diffusion, hier durch einen Kanal hindurch. Die Diffusion durch eine Pore ist selektiv; die Poren haben aber eine beschrånkte Kapazitåt. Man misst eine ¹Såttigungskinetikª

3.2 Passage und Transport von Substanzen durch Membranen

durchspannende Strukturen eines Proteins, die eine substanzspezifische Passage ermæglichen. Sie vermitteln die katalysierte oder erleichterte (gebahnte, facilitated) Diffusion (Abb. 3.7). Sie wird ebenso wie die normale, nichterleichterte Diffusion vom Konzentrationsgradienten getrieben. Mit dem Ausgleich des Konzentrationsgefålles erlischt der Diffusionsdruck. Es gibt jedoch auûer der Selektivitåt noch einen weiteren Unterschied zwischen normaler und gebahnter Diffusion: Weil Kanåle oder Carrier nicht in unbegrenzter Zahl pro Flåcheneinheit zur Verfçgung stehen, wird bei Ûberangebot an Substanz ein Såttigungsniveau im Fluss durch die Membran erreicht (Abb. 3.7). Die Fachwelt spricht von Såttigungskinetik. Der Begriff Kinetik meint in der Biochemie den zeitlichen Verlauf einer Reaktion (Geschwindigkeit, Menge an erzeugten Produkten) in Abhångigkeit von einem Parameter (z. B. Konzentration einer beteiligten Substanz). Zusammenfassend gilt: Katalysierte Diffusion ist l

substanzspezifisch,

l

ist durch åhnliche Substanzen kompetitiv hemmbar,

l

zeigt eine Såttigungskinetik,

l

kommt zum Stillstand, wenn die Konzentration frei beweglicher Molekçle beidseitig der Membran gleich ist. 3.2.5 Auch passiv hereindiffundierende Substanzen lassen sich in der Zelle anreichern

Wenn sich Substanzen in einem membranumschlossenen Raum anreichern, muss dies keinesfalls stets auf aktivem Transport durch ATP-getriebene Translokatoren beruhen. Es gibt mindestens drei andere Mæglichkeiten: Elektrophorese durch Membranporen: Der Einstrom elektrisch geladener Substanzen kann durch ein elektrisches Feld unterstçtzt werden.

Abb. 3.8. Mechanismen zum Anreichern ohne den Betrieb von ATP-getriebenen Pumpen. Die Anreicherung beruht auf Abfangen und Binden. Im Gleichgewicht ist die Gesamtkonzentration im Zellinneren hæher, nicht aber die Konzentration der frei beweglichen Teilchen. Im unteren Beispiel zieht die negative elektrische Ladung positiv geladene Kationen ins Zellinnere und hålt sie fest

Nicht nur das Laborpersonal, auch eine Zelle kann Elektrophorese betreiben (Abb. 3.8). Ein wohlbekanntes elektrisches Feld ist das normale ¹Membranpotentialª, wie es nicht nur in ¹erregbarenª Zellen, d. h. Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen, sondern auch in den meisten anderen Zellen gemessen werden kann. Energie muss hierbei zur Erzeugung der elektrischen Spannung aufgewendet werden, nicht aber fçr die Translokation der zu transportierenden Substanz. Ionen jeder Art, auch organische Såuren oder Basen, lassen sich mit elektrischer Spannung durch Membranporen treiben, wenn die Poren nur ausreichend permeabel sind und die elektrische Spannung nicht allzubald zusammenbricht.

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3 Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

Ionen ab und bindet sie an græûere Trågermolekçle oder ortsfeste Strukturen, um damit ein Konzentrationsgefålle an freien Molekçlen oder Ionen aufrechtzuerhalten (Abb. 3.8). Die Zahl mæglicher Beispiele geht in die Abertausende. Energie muss die Zelle in all diesen Fållen nicht direkt zum Transport aufbringen, aber kostenlos ist das Verfahren nicht, da die Synthese der abfangenden Molekçle Energie kostet. 3.2.6 Osmose, die diffusionsgetriebene Permeation von Wasser, wird durch das Abfangen freien Wassers unterstçtzt

Abb. 3.9. Molekularer Sperrklinken-Mechanismus (ratchetPrinzip). Die thermische Zitterbewegung kann ausreichen, um ein Molekçl (hier einen Proteinfaden) Stçck fçr Stçck durch eine Membranpore zu bewegen. In diesem Fall wird der Proteinfaden selbst zur Klinke. Seine Faltung verhindert ein Zurçckschlçpfen in den Durchlasskanal

Das Brownian-ratchet: Ganz ohne Einsatz von ATP oder anderer chemisch gespeicherter zelleigener Energie geschieht die Translokation eines Makromolekçls nach dem Brownian-ratchet-System. Die thermische Brownsche Molekularbewegung des Molekçls, das es zu transportieren gilt, wird mittels einer Sperrklinke (englisch: ratchet = gezahnte Sperrstange) in eine gerichtete Bewegung verwandelt (Abb. 3.9). Dabei ist sehr wohl auch eine Anreicherung der translozierten Molekçle in einem membranumgrenzten Raum, z. B. im Lumen des Endoplasmatischen Reticulums, mæglich. Anreicherung durch Abfangen und ortsfeste Bindung der hereindiffundierenden Substanz. Diese dritte Methode der Anreicherung ist sehr håufig. Die Zelle fångt die einstræmenden Molekçle und

Auch bei der Diffusion der Wassermolekçle kommt es auf die Konzentrationsdifferenz an. Kann Wasser unterschiedliche Konzentrationen haben? Wenn man die Konzentration frei beweglicher Wassermolekçle betrachtet, sehr wohl! In Wasser gelæste Molekçle vielerlei Art binden Wassermolekçle und verschaffen sich so eine Hydrathçlle. Je mehr derartige osmotisch wirksame Substanzen im Cytosol gelæst sind, desto geringer ist die Konzentration an freiem Wasser. Der osmotische Wert einer Læsung ist proportional zur Konzentration an wasserbindenden Teilchen und umgekehrt proportional zur Konzentration an freiem Wasser (auch als Wasseraktivitåt bezeichnet). Wasser diffundiert in eine Zelle, wenn der osmotische Wert des Zellinneren græûer ist als der des umgebenden Wassers. Die Diffusion versucht, die Konzentration an freiem Wasser innen und auûen auszugleichen. Dabei kann aber der hydrostatische Druck der Zelle zunehmen. Es kann sich ein osmotischer Druck entfalten, wenn der osmotische Wert des Cytosols çber dem des umgebenden Wassers liegt. Alle Tiere, vom Einzeller bis zum Såuger, sind hyperton(nisch) gegençber Sçûwasser, Blutzellen sind hyperton(isch) gegençber Blutwasser. Gemeinhin wird gesagt, dass der osmotische Wert unabhångig von der Art des gelæsten Molekçls oder Ions sei. Fçr viele hydrophile, niedermolekulare Substanzen mag dies auch zutreffen. Unterschiede sind kaum messbar. Ein generell

3.2 Passage und Transport von Substanzen durch Membranen

gçltiges Gesetz ist diese Aussage aber nicht. Beispielsweise ist die Menge an gelæstem O2 und CO2 ohne messbaren Einfluss auf den osmotischen Wert, weil solch kleine, nur gering polare Molekçle (im Gegensatz zu Elektrolyten) keine groûe Wasserhçlle um sich scharen (man spricht ausweichend von physikalischer Læsung). Demgegençber binden Gefrierschutzsubstanzen sehr viel mehr Wassermolekçle als Durchschnittssubstanzen wie Zucker oder Aminosåuren. Fçr hydrophile Durchschnittsmolekçle gilt: Wenn eine semipermeable Messzelle (z. B. eine Pfeffersche Zelle) in destilliertes Wasser gebracht wird, erzeugt eine einmolare Læsung unter Standardbedingungen einen osmotischen Druck von 22,4 atm = 22,4 bar = 2,27 MPa. Die Gesamtmenge osmotisch wirksamer Teilchen einer lebenden Zelle entspricht in etwa einer einmolaren Læsung. Folglich kænnte sich in einer lebenden Zelle, wenn sie in destilliertes Wasser gebracht wird, ein Druck von 22,4 atm = 22,4 bar entwickeln! Der Binnendruck wåre damit nahezu zehnmal hæher als der Luftdruck im Autoreifen (2 bis 3 bar). Pflanzenzellen schçtzen sich durch die Zellwand vor dem Platzen. Tierische Zellen werden in destilliertem Wasser gedehnt, dabei wird die Zellmembran leck, der osmotische Druck fållt wieder ab; oder die Zelle lysiert. Eine Explosion mit lautem Knall wie beim platzenden Autoreifen hært man nicht, wenn man das Seefischfilet in Sçûwasser wåscht.

benen Wasserpumpen werden uns in der Niere begegnen (s. Abb. 6.10). 3.2.8 Cotransport: auch die Grundnahrung Glucose wird oft mittels Symport in die Zelle geholt Die Begriffe Cotransport, Symport oder Antiport sind håufig zu lesen, wenn es um den Transport von Glucose oder Aminosåuren geht. (Manche Autoren benutzen die Begriffe Cotransport und Symport synonym, andere betrachten wie dieses

3.2.7 Wasser wird indirekt mittels Ionenpumpen durch die Membran gepumpt Wie pumpt man Wasser durch eine Zellmembran, ohne dass im Zellinneren der osmotische Wert unertråglich abfållt (beim Hereinpumpen von Wasser) oder der osmotische Wert unertråglich ansteigt (beim Herauspumpen von Wasser)? Man benutzt eine Symport-Pumpe: Erst werden Ionen çber die Membran befærdert, ihnen folgen Wassermolekçle ¹osmotischª nach ± ¹osmotischª heiût: aufgrund des entstandenen Gefålles in der Konzentration freien Wassers. Solche ionengetrie-

Abb. 3.10. Cotransport. Verschiedene Mæglichkeiten

63

64

3 Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

Buch Cotransport als Ûberbegriff, unter den sowohl Symport als auch Antiport fallen.) Ob Symport oder Antiport, generell wird bei solchen Cotransportsystemen die Konzentrationsdifferenz einer Substanz A ausgenutzt, um eine Substanz B in gleiche Richtung (Symport) oder in Gegenrichtung (Antiport) zu transportieren. Substanz A stræmt kraft ihres Konzentrationsgefålles durch eine ¹Turbineª, die ihrerseits eine ¹Pumpeª fçr B treibt (Abb. 3.10). ¹Turbineª und ¹Pumpeª kænnen direkt aneinander gekoppelt und durch denselben Proteinkomplex verwirklicht sein, oder es stehen fçr A und B unterschiedliche Translokatoren bzw. Kanåle zur Verfçgung wie im Falle des Wassertransports (s. Abb. 6.10).

3.2.9 Aktiver Transport: ATP-getriebene Pumpen werden vor allem zum Aufwårtstransport von Ionen und stark polaren Molekçlen entgegen dem Ladungs- oder Konzentrationsgefålle benætigt Es hat gute Grçnde, warum man in Zellmembranen vielfach ATP-getriebene Pumpen findet. Sie sind bei Bedarf leicht ein- und auszuschalten, kænnen fçr den Transport vieler Substanzklassen eingesetzt werden und erlauben es, die Konzentration sogar der freien Substanz in der Zelle çber die Konzentration in der Umgebung anzuheben. Besonders Kationen und andere elektrisch geladene Teilchen werden oft mittels membranassoziierter ATPasen durch Membrankanåle gepumpt. Eine hypothetische Vorstellung darçber, wie Ionen durch eine Membran getrieben werden kænnten, vermittelt Abb. 3.11. Die Zellphysiologie unterscheidet heute drei Klassen von Ionen-Transport-ATPasen:

Abb. 3.11. Ionenpumpe (ATPase). Hier das Modell der Na+-K+-ATPase, die pro verbrauchtem ATP 3 Na+ aus der Zelle heraus und 2 K+ in die Zelle hinein befærdert. (Frei nach Artigas und Gadsby 2003)

3.2 Passage und Transport von Substanzen durch Membranen

1. P-Typ-ATPasen, die wie beim eben diskutierten Beispiel (Abb. 3.11) ihren Dienst durch Ûbertragung von Phosphat auf Ionen-Pumpen verrichten (P = Phosphat). Hierzu zåhlen l

l

l

die Na+-K+-ATPase; dieser ATP-getriebene Antiporter holt pro verbrauchtem ATP drei Natrium-Ionen aus der Zelle heraus und pumpt zwei Kalium-Ionen hinein (Abb. 3.11). Die Pumpe schafft eine wesentliche Voraussetzung fçr den Aufbau eines elektrischen Membranpotentials. (Weitere Voraussetzungen sind Ûberschuss ortsfester Anionen im Zellinneren und Semipermeabilitåt der Membran. Darçber wird Kap. 14 berichten und erlåutern, wozu diese elektrische Spannung dient.) die Ca2+-Pumpe im Endoplasmatischen Reticulum der Muskelzellen, die nach Beendigung der Kontraktion Calcium-Ionen blitzschnell ins ER zurçckpumpt; die H+-K+-ATPase in den Fundusdrçsen des Magens, die der Salzsåureproduktion dient (s. Kap. 4, Abb. 4.9).

Alle diese P-Typ-ATPasen gehæren der gleichen Proteinfamilie an. Die Proteine bilden ionenselektive Poren in der Membran. 2. V-Typ-ATPasen. V-Typ heiût Vakuolen-Typ. Man findet diese ATPase nicht nur in den Membranen der Vakuolen pflanzlicher Zellen, sondern beispielsweise auch in den Membranen der Lysosomen oder in Zellen des Darms und der Malpighischen Gefåûe der Insekten. Dort vermitteln sie den Ionenaustausch zwischen dem Blut (Håmolymphe) und der Auûenwelt. 3. F-ATPasen sind im Regelfall keine ATPasen, sondern ATP-Synthasen. Die protonengetriebene ATP-Synthase der inneren Mitochondrienmembran (Abb. 2.4 b) gehært dazu. Potentiell kænnen ATP-Synthasen auch rçckwårts laufen und ATP spalten.

3.2.10 In ihrem Úffnungsgrad gesteuerte Ionenkanåle werden zur Erzeugung verånderlicher elektrischer Spannungen und damit zur Codierung, Weiterleitung und Decodierung von Information benutzt Ionenkanåle, deren Úffnungsgrad gesteuert werden kann, werden in den Kapiteln zur Physiologie von Nerven-, Muskel- und Sinneszellen vorgestellt (s. Kap. 14, 15). Es zåhlen darunter die spannungsgesteuerten und ligandengesteuerten Kanåle entlang von Nerven- und Muskelfasern und in den synaptischen Membranen. 3.2.11 ¹Gap junctionsª sind Kanåle, die elektrische Stræme und niedermolekulare Substanzen von Zelle zu Zelle passieren lassen ¹Gap junctionsª sind Kanåle, die wenig selektiv sind und Molekçle bis zur Molekçlmasse von ca. 1000 passieren lassen. Wçrden sie sich ins Auûenmedium æffnen, wçrde eine Zelle unverzçglich ¹ausblutenª. Das Besondere an ¹Gap junctionsª ist jedoch, dass die Kanåle zweier benachbarter Zellen direkt aneinandergefçgt sind, sodass durchgehende Kanåle von Zellinnenraum zu Zellinnenraum hergestellt werden (s. Abb. 15.1). Solche Kanåle werden im Herzmuskel zur raschen Leitung von elektrischen Stræmen (¹Aktionspotentialenª) benutzt, um die Kontraktion der einzelnen Muskelfasern zu koordinieren. Der weite Durchmesser der Kanalræhren erlaubt aber auch die Passage von ATP, Glucose und Aminosåuren, und damit sogar die Ernåhrung einer Zelle durch eine Nachbarzelle. Schlieûlich kænnen sogar Peptide mit bis zu zehn Aminosåuren und viele andere Substanzen mehr die Kanåle passieren.

65

66

3 Molekulare Motoren, Pumpen und Transportsysteme

3.2.12 Bei sehr groûen Molekçlen, Molekçlaggregaten und Partikeln helfen nur Endocytose, Exocytose oder Transcytose Endocytose meint den Import von Substanzen vermittels sich einstçlpender Membranvesikel, die die Substanzen einschlieûen und zur weiteren Verwertung ins Zellinnere befærdern. Durch Endocytose importierte Substanzen werden in der Regel einem intrazellulåren Verdauungsapparat (Lysosomen, Proteasomen) zugefçhrt. Wie solche Vorgånge vonstatten gehen, wird hier nicht im Detail geschildert. Es wird jedoch auf die Funktion des intrazellulåren Verdauungssystems bei der so genannten Antigenpråsentation durch Immunzellen hingewiesen (s. Kap. 7). Exocytose meint den Export von Substanzen çber Vesikel, die im Bereich des ER-Golgi-Systems entstehen und mit Substanzen gefçllt werden, dann an die Zelloberflåche transportiert werden, sich hier nach auûen æffnen und ihren Inhalt freigeben. Durch Exocytose werden Verdauungsenzyme, Hormone oder Neurotransmitter freigesetzt. Zusammenfassung des Kapitels 3 Fçr die Verlagerung von beweglichen Teilen des Cytoskeletts, beispielsweise fçr das Verschieben von Actinstrången und Mikrotubuli gegeneinander, sowie fçr den Transport von Cargo-beladenen Vesikeln entlang solcher fester Strukturen, stehen verschiedene molekulare Motoren zur Verfçgung. Gemeinsam ist ihnen, dass sie aus Dimeren oder multimeren Aggregaten aufgebaut sind, und jedes Aggregat eine bewegliche Struktur hat, die zu zyklischen Hin- und Herbewegungen befåhigt ist. Jeder Zyklus enthålt einen Kraftschlag (power stroke), dessen treibende Kraft aus der Hydrolyse eines ATP bezogen wird. Myosin-Hebelarme (lever arm) bewegen Actinstrånge gegeneinander; darauf basiert auch die makroskopische Kontraktions-Relaxations-Zuckung einer Muskelfaser. Die Gleit-

Abb. 3.12. Transport von groûen Molekçlen und von Molekçlaggregaten

Transcytose meint das Durchschleusen von Materialien durch eine Zelle hindurch (Abb. 3.12). Ûber Transcytose wird in der Milchdrçse die Milch mit Fetten und Proteinen inklusive Antikærpern angereichert. Ûber Transcytose besorgt sich vermutlich der Såugling Antikærper aus der Muttermilch. Ûber Transcytose werden bei vielen ¹niederenª Tieren (z. B. Hydra, Planarien) Zellen, die nicht direkt an den Verdauungskanal grenzen, mit Nahrung versorgt. motoren des Kinesin- und Dyneintyps transportieren u. a. Vesikel von der Golgi-Fabrik einer Nervenzelle entlang der Gleitschiene eines Mikrotubulus durch eine Nervenfaser hin zur Synapse (Kinesin) oder bringen Vesikel zwecks Recycling von der Synapse zum Golgi-Apparat zurçck (Dynein). Dyneinmotoren erzeugen auch die Kråfte fçr den Cilienschlag. Es wird ferner ein systematischer Ûberblick geboten çber Systeme, die den Transport und Austausch von Ionen und Substanzen çber Zellmembranen vermitteln. Angesprochen werden Diffusion und erleichterte, selektive Diffusion via Carrier und Ionenkanåle, sowie ATP getriebene, den ¹aktiven Transportª vermittelnde Translokatoren; beispielsweise wird ein Modell der Na+-K+Austausch-ATPase vorgestellt, die in der Sinnes- und Nervenphysiologie eine wichtige Rolle spielen wird.

4

Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

Man wird kaum ein Organsystem nennen kænnen, das nicht direkt oder indirekt teilnimmt an der Versorgung des Kærpers mit Materialien und Energie, an deren Verteilung im Kærper, oder an der Entsorgung des Kærpers von unbrauchbaren Endprodukten, von gefåhrlichen Substanzen mancherlei Herkunft und von Krankheitserregern. Organsysteme, denen hierbei eine dominierende Funktion zukommt wie Verdauungstrakt, Leber, Niere oder Immunsystem, werden in der akademischen Lehre nach alter Tradition unter dem Begriff ¹vegetative Physiologieª abgehandelt. Das Adjektiv ¹vegetativª soll ¹pflanzenhafteª, ¹niedereª Funktionen unter die hæheren ¹animalenª Funktionen des Sinnes- und Nervensystems stellen. Logisch ist die Benennung ¹vegetativª nicht; denn ein Tier ist definitionsgemåû nicht autotroph; es ernåhrt sich nicht pflanzenhaft, sondern, direkt oder indirekt, von Pflanzen.

4.1 Was die Nahrung enthalten sollte 4.1.1 Es gibt unverzichtbare, essentielle Nahrungsbestandteile: bestimmte Aminosåuren, Fettsåuren, Vitamine, anorganische Ionen und Spurenelemente Ob nun der Herbivor Pflanzenkost bevorzugt, der Carnivor Fleischkost, oder ob man wie der Mensch zu Mischkost neigt, die Nahrung muss bestimmte Komponenten enthalten (Abb. 4.1): I. Energietråger: Kohlenhydrate, Fettsåuren, Proteine. Tabelle 4.1 gibt an, mit welchen Nahrungs-

Abb. 4.1. Nahrungsbestandteile

68

4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung Tabelle 4.1. Nahrungsmittel: Gehalt an Substanz und Energie (Gewichts%: der zu 100% fehlende Anteil entfållt auf H2O und Ballaststoffe (Pflanzenfasern u. a.); + in Spuren, ± keine Angaben) Nahrungsmittel: 100 g des essbaren Anteils enthalten Gewichts% (Rest: H2O, Ballast) Protein

Fett

mg Cholesterin kJ Kohlenhydrate

Fleisch, Wurst, Fisch Schweinefleisch, fett Rindfleisch, mager Rind: Leber Huhn, gekocht Salami Forelle

10 15 18 20 17 10

37 11 3 13 47 1

± ± 6 ± + 30

55 55 245 75 85 +

1630 720 550 840 2200 220

Ei (Hçhnerei) Eiweiû Eigelb

11 16

+ 31

1 +

0 1400

230 1580

Milchprodukte Vollmilch Speisequark, mager Hartkåse (45% Fett)

3,5 17 25

12 95

280 370 1580

Speisefett, Úle Butter Margarine Olivenæl

1 1 +

83 80 100

+ + +

240 0 0

3250 3190 3880

Getreideprodukte Weizenmehl Mischbrot Eiernudeln Reis, geschålt

11 7 13 7

1 1 3 1

74 52 72 79

0 0 140 0

1550 1060 1630 1540

19

0

0 0

360 1214 2254 120 150 75

0 0

210 160

Kartoffeln, Gemçse Kartoffeln l Pommes frites l Chips Karotten Erbsen, grçn Spinat, Tomaten Obst Øpfel Orangen Alkohol. Getrånke je 200 ml Bier, Pils Weiûwein, trocken Rotwein Whisky

3,5 1 28

5 2 3

2

+

1 3 1±2

+ + +

0,3 0,7

+ +

12 9

±

+ Alk. 8 13

0,07 +

6 6 2±3

+

397 590 670 2366

4.2 Wozu Vitamine notwendig sind Tabelle 4.2. Der Ernåhrungs-Ratgeber: Normalgewicht und wie man Kalorien loswerden kænnte (Normalgewicht in kg; Kærpergræûe in cm ± 100 (Ô X) (Ô X = subjektiver Wert, im Widerspruch zur Empfehlung des Hausarztes)) Tåtigkeit

Gehen (¹Walkingª) Joggen (11 km/h, Ebene) Bergwandern, ohne Gepåck Radfahren (15 km/h, Ebene) Schwimmen (Brust) Skiwandern Tennisspielen

Verbrauch pro 15 min in kcal

in kJ

78 188 120 98 158 140 107

326 786 482 410 661 586 448

mitteln man wieviel an Protein, Fetten und Energiepotential zu sich nimmt, Tabelle 4.2, wie man Ûberschçssiges loswerden kænnte. Bei der Auswahl von Nahrungsmitteln darf auf die umstrittenen Lipide (fettartige Substanzen) und Proteine nicht verzichtet werden; denn sie sind auch Materialien, denen essentielle Baustoffe entzogen werden mçssen. II. Essentielle Baustoffe. Essentiell werden Nahrungsbestandteile genannt, die der tierische oder menschliche Organismus unverzichtbar benætigt, aber nicht selbst herstellen kann, weil ihm die nætige Enzymausstattung fehlt. Obwohl es zwischen den verschiedenartigen Tieren Unterschiede gibt, was in Eigenproduktion selbst hergestellt werden kann und was nicht, gelten die Restriktionen, denen unser eigener Kærper unterworfen ist, fçr viele Tiere in åhnlicher Weise. Es gilt die Regel, dass Pflanzen ± jedenfalls in ihrer Artenfçlle ± gegençber Tieren die besseren biochemischen Maschinen und vor allem bei der Synthese komplizierter Molekçle mit ringfærmigen Strukturen weit leistungsfåhiger sind. Anders betrachtet: Da Tiere direkt oder indirekt von Pflanzen leben, konnten sie vielerlei von den Pflanzen ausleihen und somit darauf verzichten, die komplizierte Chemie selbst zu entwickeln. Essentielle Baustoffe sind l

ungesåttigte Fettsåuren,

l

viele Aminosåuren,

l

Vitamine (als Cofaktoren vieler Enzyme).

III. Funktionstråger: Hierunter kænnen Substanzen und Elemente zusammengefasst werden, die weder als Speicher von Energie noch als Baumaterialien von Bedeutung sind, die aber in zellphysiologischen Prozessen unverzichtbare Hilfsfunktionen haben, wie anorganische Ionen (Elektrolyte = Salz-Ionen, z. B. K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl±, Phos2± phat PO3± 4 , Sulfat SO4 ), Spurenelemente (Eisen, Kupfer, Zink, Zinn, Selen, Cobalt, Molybdån, Jod und Fluor ± jeweils in Ionenform) und Vitamine. 4.1.2 Warum alte Menschen weniger Eiweiû brauchen als junge Eiweiûe (Proteine) sind Lieferanten der Aminosåuren, aus denen wir wieder Proteine synthetisieren. Besonders viele Proteine muss selbstredend der junge, wachsende Organismus herstellen, weil er laufend viele neue Zellen erzeugt. Doch auch nach Abschluss des åuûerlich wahrnehmbaren Wachstums kommen im Såugetier Zellteilungen nicht zum Stillstand. Die Zellen des Blutes und viele Gewebe, wie Haut, Haare, Lunge, Dçnndarm, Leber, ja sogar Knorpel und Knochen, werden laufend regeneriert. Gealterte Zellen werden abgestoûen oder von Makrophagen verspeist, neue junge Zellen werden von jung bleibenden Stammzellen generiert. Diese Regenerationsprozesse kommen im Alter allmåhlich zum Stillstand. Der Bedarf an Aminosåuren sinkt.

4.2 Wozu Vitamine notwendig sind 4.2.1 Ihrer Herkunft nach sind Vitamine ¹sekundåre Pflanzenstoffeª; sie kænnen aber auch von Bakterien hergestellt werden Die Benennung Vitamin spiegelt eine Hypothese wider, die aufkam, als man der Existenz von Vita-

69

70

4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

minen erstmals auf die Spur kam: Es gåbe noch unbekannte Spurensubstanzen, die lebensnotwendig (lateinisch: vita = Leben) und chemisch Amine seien. Lebensnotwendig sind diese Substanzen noch immer, doch sind sie in den seltensten Fållen Amine. Sie sind chemisch sehr heterogen und meistens kompliziert gebaut. Seit man organischen, essentiellen Spurenstoffen auf die Spur kam, sind auch zahlreiche Rezepte auf dem Markt, wie man ihrer durch Rohkost und gesunde Ernåhrung habhaft werden kann. Irgendwie scheint der wissenschaftliche und kommerzielle Markt aber nun gesåttigt zu sein. Sei es, dass man nun alle Wirkstoffe pflanzlichen oder mikrobiellen Ursprungs kennt, die wir çber den Verdauungstrakt aufnehmen mçssen und fçr unsere Gesundheit unentbehrlich sind, sei es, dass Vitaminforschung nicht mehr Mode ist, seit Jahren jedenfalls hat die Liste der anerkannten essentiellen Wirkstoffe keine Erweiterung mehr erfahren, obwohl immer wieder aus kommerziellen Grçnden neue Vitamine in die Diskussion und auf den Markt gebracht werden (neuerdings unter dem nichtssagenden Sammelbegriff ¹sekundåre Pflanzenstoffeª). Beispiel solcher sekundårer Pflanzenstoffe ist ¹Vitamin Pª, eine Kollektion von pflanzlichen Flavonoiden. Rutin und Quercetin sind mægliche Komponenten, die man in Chemikalienkatalogen aufgelistet finden kann. Diese Substanzen sind keine essentiellen Nahrungsbestandteile, kænnen jedoch durchaus gesundheitsfærdernde Wirkung haben. Flavonoiden werden u. a. entzçndungshemmende und anti-allergische Wirkungen zugeschrieben. Nicht selten haben sich mutmaûliche Vitamine als Substanzgemische herausgestellt. Beispielsweise ist ¹Vitamin Fª zu einer Sammelbezeichnung fçr die in Abb. 4.1 aufgelisteten essentiellen ungesåttigten Fettsåuren geworden. Einen Ûberblick çber alle nachgewiesenen und mutmaûlichen Vitamine gibt http://db.ancient-future.net/vitamins. html

Obzwar Vitamine seit geraumer Zeit bekannt sind, ist ihre Wirkungsweise noch långst nicht voll erschlossen. Quelle der Vitamine sind, auch wenn sie in Fleischprodukten zu finden sind, letztlich Pflanzen oder die symbiontischen Mikroorganismen unseres Verdauungstraktes (Tabellen 4.1 und 4.2).

Eine altertçmliche Einteilung gliedert die Vitamine in l

wasserlæsliche: B-Vitamine, Vitamin C u. a. (Tabelle 4.3) und

l

fettlæsliche: Vitamin A, D, E, K (Tabelle 4.4).

Diese Einteilung ist zwar etwas oberflåchlich, aber fçr Ernåhrungsregeln durchaus noch brauchbar, und sie hilft zu einem Merksatz, der den Titel des folgenden Abschnittes liefert. 4.2.2 Die meisten wasserlæslichen Vitamine sind Komponenten oder Vorstufen von Coenzymen. Die Gefahr von Hypervitaminosen bei Ûberdosierung ist bei ihnen gering Manche Enzyme, insbesondere Enzyme mit bloû spaltender Funktion (Hydrolasen wie Proteasen und Lipasen), kommen allein mit ihren Aufgaben zurecht. Sie haben als Extrakomponenten vielfach Metallionen wie Zink in råumliche Nischen ihrer Tertiårstruktur eingebaut, bestehen jedoch sonst nur aus Ketten von Aminosåuren. Enzyme mit komplexerer Funktion wie l

Elektronençbertragung (Redoxreaktionen),

l

Wasserstoffçbertragung,

l

Gruppençbertragung: ± Methyl CH3-, Acetyl CH3-CH2-, ± Phosphat (Phosphoryl) -PO2± 4 , Carboxyl -COO±, Kohlendioxid CO2, ± Nukleotide (z. B. Adenosin) etc.

benætigen einen Partner, ein Coenzym, mit einer chemischen Struktur, die nicht durch bloûes Zusammenketten von Aminosåuren herstellbar ist. Dieser Partner ist ringfærmig und/oder verzweigt und wird von Pflanzen oder Mikroorganismen hergestellt. Ûberblickt man Tabelle 4.1, so fållt auf, dass eine Reihe von Vitaminen eine essentielle Rolle im basalen Zellstoffwechsel haben.

4.2 Wozu Vitamine notwendig sind Tabelle 4.3. Wasserlæsliche Vitamine Name des Vitamins/Struktur

ist Komponente von Coenzym

tåglicher Bedarf des Menschen

B1 Thiamin (Aneurin) Pyrimidin+ Thiazolring

Thiamin-diphosphat

1,4 mg

Funktion: Koppelung der Glykolyse mit Citratcyclus, da Teil des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes; vermittelt die Reaktion: Pyruvat ! Acetyl-CoA + CO2 + NAD:H2 Mangel: Polyneuritis (Beri-Beri): Darm- und Hauterkrankungen, Muskelkråmpfe, Herzschwåche, vielerlei Nervenschåden, Paralyse Quelle: Rohkost, Getreidehçllen, Fleisch Symbionten des Verdauungstraktes B2 Panthothenat

Coenzym A

5±10 mg

Funktion: Koppelung von Glykolyse und Fettsåureabbau mit Citratcyclus: Ûbertragung von aktivierter Essigsåure (Acetyl-): z. B.: Acetyl-CoA + Oxalacetat ! Citrat; Herstellung von Acetylcholin Mangel: ¹Burning footª, Mçdigkeit, Schlaf- und Bewegungsstærungen Quelle: Ei, Leber, Hefe B2 Nicotinsåure Nicotinsåureamid (Niacin)

NAD, NADP

18 mg

Funktion: NAD:

Mangel: Quelle:

Ûbertragung von Wasserstoff; dadurch Koppelung von Glykolyse und Citratcyclus mit Atmungskette NADP: Reduktion von Substanzen (z. B. ungesåttigte Fettsåuren) mit Wasserstoff Pellagra (¹black tongueª), Braunfårbung der Haut, Durchfall, Hauterkrankungen, Schwachsinn Leber, Rohkost; von Mikroorganismen des Darms aus Tryptophan herstellbar

B2 Riboflavin Alloxazinderivat

FAD

1,6 mg

Funktion: Ûbertragung von Wasserstoff; dadurch Koppelung Citratcyclus mit Atmungskette Mangel: Wachstumsstærungen, trockene Lippen, errætete Haut, Hornhautschåden, Nervenerkrankungen Quelle: Leber, Milch, Weizenkeime, Mikroorganismen B6 Pyridoxin Pyridoxol Pyridoxamin

Pyridoxalphosphat

Funktion: Spaltung von Glykogen (Phosphorylyse) in Glucose-Phosphat-Einheiten, Transaminierungen Mangel: Kråmpfe (Kinder), Nervenerkrankungen, Nierensteine Quelle: Weizenkeime, Hefe, Mikroorganismen des Darms

2,2 mg

71

72

4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung Tabelle 4.3 (Fortsetzung) Name des Vitamins/Struktur

ist Komponente von Coenzym

tåglicher Bedarf des Menschen

H Biotin

ist selbst Coenzym

0,2 mg

ist selbst Coenzym

0,4 mg

Funktion: Ûbertragung von CO2; z. B. Pyruvat + CO2 ! Oxalacetat Ûbertragung von Carboxyl (-COO±) Mangel: Hauterkrankungen, Appetitlosigkeit Quelle: Eigelb, Leber, Hefe Folsåure

Funktion: Methyl- und Formyl-Ûbertragungen fçr Nukleotidsynthesen benætigt Mangel: Blutarmut (Megaloblastische Anåmie), Darmerkrankungen (Sprue) Quelle: Gemçse, Mikroorganismen des Darms 0,003 mg

B12 Cobalamin (sehr kompliziertes Molekçl mit Kobalt)

Funktion: viele Funktionen, z. B. Methylçbertragungen, Transaminierungen (NH2-Ûbertragung), intramolekulare Wasserstoffwanderungen Mangel: Blutarmut, unreife rote Blutzellen (Perniziæse Anåmie), Wachstumsstærungen Quelle: Ei, Fleisch, Mikroorganismen des Darms Vitamin C Ascorbinsåure Pentose, sauerstoffempfindlich

60±100 mg

Funktion: Reduktionsmittel, z. B. bei der Konversion von Prolin zu Hydroxyprolin im Kollagen; wichtig fçr Bindegewebe, Knorpel und Knochen. Wirkt als Schutzmittel gegen schådliche Sauerstoffradikale (oxidativer Stress); schçtzt Mitochondrien und Membranlipide. Da Vitamin C verbraucht wird, und nicht nur katalytisch wirkt, mçssen relativ hohe Mengen eingenommen werden Mangel: Frçhjahrsmçdigkeit, Schwåchung des Immunsystems, Bindegewebs-, Knorpel-, Knochenschwåche, Gelenkschwellungen Zahnausfall mit Blutungen (Skorbut), Tod durch Herzschwåche und innere Blutungen Quelle: Citrusfrçchte, Beeren, Sauerkraut, Kartoffeln (rohes Fleisch)

Beispiel Vitamin B1, offiziell Thiamin, bisweilen auch Aneurin genannt, biologisch aktiv als Thiamin-Pyrophosphat (TPP): l

Als Coenzym der Pyruvatdecarboxylase katalysiert TPP die Reaktion Pyruvat ? Acetyl-CoA und koppelt so die Glykolyse mit dem Citratcyclus (Abb. 4.2).

l

Thiamin katalysiert im Citratcyclus den Ûbergang von a-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA.

l

Thiamin ist im Pentosephosphatweg beispielsweise bei der Produktion von NADP und Nukleotiden beteiligt.

l

Thiamin hat aber auch eine noch nicht geklårte Rolle bei der Erzeugung von elektrischen Impulsen im Nervensystem.

Diese vielfåltigen Funktionen unterstreichen die Lebensnotwendigkeit der Vitamine, werfen aber auch die Frage auf, warum Vitamin-Mangelkrankheiten nicht sogleich zum Tode fçhren. Die Sicherungsstrategie sei am Beispiel einer typischen Vitamin-B-Mangelkrankheit diskutiert.

4.2 Wozu Vitamine notwendig sind Tabelle 4.4. Fettlæsliche Vitamine Vitamin A Retinol ± Transportform des Vitamin A Funktion: als Retinal Teil des Sehfarbstoffes Rhodopsin, als Retinsåure Signalmolekçl (Morphogen) mit vielfåltigen Funktionen in der Embryonalentwicklung Mangel: Sehschwåche (Nachtblindheit), Austrocknung der Hornhaut des Auges, Verhornung der Schleimhåute, embryonale Missbildungen Hypervitaminose: embryonale Missbildungen, gelbe Haut, gelber Schweiû Quelle: Karotten, gelbe Frçchte, Gemçse, Eigelb, Leber, Fisch Vitamin D (Substanzgruppe, Isoprenoide mit steroidåhnlicher Struktur) Im strengen Sinn keine Vitamine, da D-Vitamine von Mensch und Tier aus Cholesterin hergestellt werden kænnen, wenn auch oft in unzulånglichen Mengen. Aufnahme von Vorstufen çber die Nahrung verhindert oder mildert Mangelerkrankungen. Die Synthese verlangt eine UV-Bestrahlung der Haut. Die Endstufe wird in der Niere hergestellt. Es resultiert ein Hormon, das Cholecalciferol Vitamin D3 Calciferol und Vitamin D2 Ergocalciferol sind Vorstufen des Cholecalciferols (1a,25-Dihydroxy-Vitamin D3). Sie werden aus Nahrungsmitteln resorbiert oder aus pflanzlichen Sterinen im Kærper hergestellt, wobei ein Syntheseschritt durch UV-Bestrahlung der Haut aktiviert wird 1a,25-Dihydroxy-Vitamin D3 (Cholecalciferol): Hormon, das in der Niere aus Calciferol oder Ergocalciferol hergestellt wird Hormonale Funktion: unterstçtzt Parathormon, wird benætigt fçr Calcium- und Phosphatresorption im Darm sowie fçr Knochen-Aufbau und -Erhaltung; weitere hormonale Funktionen wahrscheinlich; kommt auch in der Epiphyse vor Mangel: Rachitis: Stærungen im Knorpel- und Knochenwachstum, Verkrçmmungen (krumme Beine, eingesenkte Brust), Knochenentkalkung bei Erwachsenen Quelle von Calciferol: Fischæl, Eigelb, Weizenkeimæl Ûberdosis: giftig; kann lebensgefåhrlich werden Vitamin E (Substanzgruppe, Isoprenoidderivate) mit Tocopherol Funktion: Antioxidans, schçtzt ungesåttigte Membranlipide und Proteine vor Angriff durch Sauerstoffradikale Mangel: Mitochondrien-Degeneration, Herz- und Muskelschwåche, Blutarmut, Hautschåden Quelle: Gemçse, Pflanzenæle, bes. Weizenkeimæl Vitamin K (Substanzgruppe, Naphtochinone mit Isoprenoid-Seitengruppe) mit Phyllochinon, Menachinon (Menadion). In seiner Struktur åhnlich wie Vitamin A und Vitamin E Funktion: Cofunktion bei Blutgerinnungsfaktoren Mangel: mangelnde Blutgerinnung, Blut im Stuhl Quelle: Gemçse, Pflanzenæle, Leber, Mikroorganismen des Darms

4.2.3 Polyneuritis: Oder wie der Kærper dem drohenden Tod zu entkommen sucht Ernåhrungsbedingte Polyneuritis ist eine Nervenkrankheit, die bei Unterversorgung mit Vitamin B1 (Thiamin, Abb. 4.2) auftritt. Die Symptome sind beim Menschen åhnlich denen, die

dem hollåndischen Arzt J. Bonitus 1630 in Java begegneten und als ¹Schafsgangª oder Beri-Beri bekannt geworden sind. Die geographische Verbreitung der Krankheit war korreliert mit Regionen, in denen Reis Hauptnahrungsmittel war und die neu aufgekommene Mode, Reis zu schålen, Eingang gefunden hatte. Man hat die Symptome lange Zeit auf eine Verunreinigung des Reises

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

Abb. 4.3. Vitamin A

Abb. 4.2. Vitamin B1 und Polyneuritis. Vitamin B1 ist eine Komponente der Pyruvat-Decarboxylase, die den Ûbergang von Pyruvat zu Acetyl-CoA katalysiert. Die Taube zeigt mit ihrer verkrampften Kærperhaltung Symptome der Polyneuritis im Endstadium der Vitamin-B1-Mangelkrankheit

mit einem toxischen Schimmelpilz zurçckgefçhrt, doch lassen sich im Tierexperiment vergleichbare Symptome auslæsen, indem man z. B. Tauben zwangsweise ausschlieûlich mit geschåltem Reis ernåhrt. (Die Getreideschale und der Getreideembryo im Samen enthalten Thiamin, nicht das geschålte Korn.) Von schleichenden Symptomen steigert sich das Schauspiel zum dramatischen Ende: l

Appetitlosigkeit,

l

(beim Menschen weiterhin Mçdigkeit, Gedåchtnisschwåche),

l

Gewichtsverlust,

l

abfallende Kærpertemperatur, verlangsamter Herzschlag,

l

Hauterkrankungen, Magen- und Darmerkrankungen, Durchfall,

l

Apathie,

l

plætzlicher, krampfhafter Anfall: Die Tiere kænnen sich nicht mehr auf den Beinen halten; der Kopf wird nach hinten gerissen (Abb. 4.2) und schon bald tritt der Tod ein, wenn nicht augenblicklich bei Beginn der Kråmpfe Thiamin gespritzt wird.

In der Reihenfolge der Symptome wird eine Strategie des Kærpers erkennbar. Zunåchst wird Vitamin von jenen Organen abgezogen, die nicht so elementar lebenswichtig sind: Fettpolster und Haut. Wenn man der Todesgefahr entrinnen will, mçssen die letzten Reserven vor allem dem Nervensystem zugefçhrt werden. Sind auch diese Reserven verbraucht, ist der rasche Tod unvermeidbar. Diese Strategie des Kærpers macht auch begreiflich, warum sich so viele Vitaminmangelkrankheiten in Symptomen einer krankhaft verånderten Haut kundtun. Die Haut muss als Sparkonto herhalten und ihr Guthaben abliefern. Da wasserlæsliche Vitamine bei Ûberschuss schlicht çber die Niere ausgeschieden werden kænnen, ist die Gefahr einer Ûberdosierung gering, zum Unterschied zu den fettlæslichen Vitaminen, die sich in Leber, Fettzellen und den Myelinscheiden der Nervenzellen anreichern kænnen.

4.2 Wozu Vitamine notwendig sind

4.2.4 Manche fettlæslichen Vitamine sind Vorstufen von Signalmolekçlen; bei fettlæslichen Vitaminen sind Hypervitaminosen mæglich Als Beispiel eines Vitamins der zweiten Gruppe sei Vitamin A diskutiert. Vitamin A leitet sich vom pflanzlichen Carotin B ab, heiût entsprechend auch Beta-Carotin, und gehært als solches zu den Terpenoiden, die auch als Isoprenderivate klassifiziert werden. Spaltet man das symmetrische Carotinmolekçl in der Mitte, erhålt man zwei Molekçle Vitamin A (Abb. 4.3). Vitamin A kommt in drei Oxidationsstufen vor: l

Retin-ol (Alkohol),

l

Retin-al (Aldehyd),

l

Retin-såure (retinoic acid).

Retinol ist die Form des Vitamin A, in der die Substanz im Blut an Trågerproteine gebunden transportiert wird. Vom Blut kann Vitamin A, in welcher Oxidationsform auch immer, in Zellen çberwechseln. Wirkungen in der Zellmembran. Als lipophile Substanz dringt Vitamin A in Zellmembranen ein. In die Membran integriert, kann Vitamin A eine Reihe rascher Wirkungen entfalten, z. B. die Funktion von Kanalproteinen beeinflussen. Die Aldehydform Retinal wird uns als lichtabsorbierende Komponente des Sehfarbstoffes Rhodopsin im Kapitel 22 (Auge) wieder begegnen. Auch als Bestandteil des Sehfarbstoffes der Ståbchen und Zapfen ist Retinal in Membranen integriert. Funktionen im Cytoplasma. Vitamin A kann von der Membran mittels besonderer cytoplasmatischer Rezeptoren abgeholt und ins Cytoplasma geleitet werden. Hier kann Vitamin A als Cofaktor bei Glykosylierungen beteiligt sein, d. h. bei der Anheftung von Zuckern an Proteine zur Herstellung der Glykoproteine. Funktionen im Kern. Von der Retinsåure ist bekannt, dass sie an weitere Rezeptoren (RARs = re-

tinoic acid receptors) binden kann, die in den Kern aufgenommen werden und als Transkriptionsfaktoren die Aktivitåt bestimmter Gene regulieren. Diese Rezeptoren werden im Kapitel 11 (Hormone) vorgestellt; denn sie sind eng verwandt mit den Kernrezeptoren fçr Steroidhormone. Retinsåure spielt in der Embryonalentwicklung die Rolle einer vielseitig einsetzbaren Signalsubstanz. Beispielsweise ist sie mitbestimmend bei der Reihenfolge, in der unsere Finger angelegt werden, und bei der Untergliederung des Zentralnervensystems in die verschiedenen Abschnitte des Gehirns und des Rçckenmarks (eine Einfçhrung gibt: Mçller u. Hassel 2006). Schlieûlich spielt Vitamin A eine wichtige Rolle bei der Entscheidung, ob unsere Haut zu einer Schleimhaut oder zu einer verhornten Haut wird. Bei Vitamin-A-Mangel beginnen unsere Schleimhåute und die Cornea des Auges zu verhornen und zu schuppen. Vitamin D und E sind chemisch wie in ihrer generellen Wirkungsweise dem Vitamin A åhnlich; chemisch insofern, als sie als Isoprenderivate klassifiziert werden kænnen, funktionell insofern, als sie Vorstufen von hormonåhnlichen Signalmolekçlen sind. Fçr alle diese Substanzen gilt, dass das Spektrum ihrer Wirkungen noch långst nicht erschæpfend erforscht ist. 4.2.5 Die benætigten Vitamine sind nicht bei allen tierischen Organismen gleich Substanzen, die fçr den Menschen Vitamine sind, sind es meistens auch fçr andere Såugetiere, manche sogar fçr alle tierischen Lebewesen. Da symbiontische Mikroorganismen ergiebige Quellen fçr Vitamine sein kænnen, ist es im Einzelfall schwierig bis unmæglich, den Vitaminbedarf von Tieren zu ermitteln. Manche Tiere kænnen noch mehr als der Mensch. Vitamin C (Ascorbinsåure) ist nur fçr einen Teil der Såuger und Vægel ein Vitamin; andere kænnen das Molekçl im Bedarfsfall aus Glucose herstellen.

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

Andererseits muss manches Tier die eine oder andere Substanz, die wir Menschen bei Bedarf synthetisch herstellen kænnen, mit der Nahrung erwerben. Bekannt ist, dass viele Insekten Steroide (etwa Cholesterin) und Carnitin mit der Nahrung aufnehmen mçssen. Nager mçssen sich Inositol aus der Nahrung besorgen, ein cyclischer Polyalkohol, der in Signaltransduktionssystemen eine Rolle spielt (s. Kap. 12).

4.3 Tierische kontra pflanzliche Kost: Was ist Wissenschaft, was auûerwissenschaftliche Einstellung? Ethische Aspekte sollen hier nicht diskutiert werden, sondern nur die Frage: was ist wissenschaftlich daran, wenn Ernåhrungslehrer diesem Kostplan huldigen, jenen verdammen. 4.3.1 Protein ist nicht gleich Protein Wenn Nahrung alle essentiellen Bestandteile in angemessenem Umfang enthålt, ist ihre Herkunft ± theoretisch ± nicht von Bedeutung; denn ohnedies werden im Zuge der Verdauung makromolekulare Bestandteile in ihre einzelnen monomeren Komponenten zerlegt. Und ist ein Protein einmal in Aminosåuren zerlegt, ist es gleichgçltig, ob eine Pflanze oder ein Tier das Protein hergestellt hatte. Die Aminosåuren als solche unterscheiden sich nicht, sonst kænnte der Mensch nicht aus pflanzlichen Aminosåuren menschliche Proteine herstellen. Gerade der Vegetarier muss darauf vertrauen, dass dies so ist. Es ist heute, wenn man sich informiert und Einseitigkeit vermeidet, unschwer mæglich, sich so oder so, und eben auch rein vegetarisch, zu ernåhren. Information tut freilich Not; denn nicht alle Proteinquellen enthalten die essentiellen Aminosåuren im ausgewogenen Verhåltnis. Getreideproteine enthalten wenig Lysin und Tryptophan, manche Hçlsenfrçchte nur geringe Mengen an Methionin. Auch enthålt pflanzliche Kost oft zu

wenig Eisen. Wenn nicht ethische oder religiæse Vorbehalte dem entgegenstehen, kann der gemåûigte Vegetarier zum Ausgleich auch auf Ei- und Milchprodukte zugreifen. Die Gemeinde der Vegetarier untergliedert sich in l

Ovo-Lacto-Vegetarier, die auch mal Eiernudeln und Joghurt im Speiseplan haben, in

l

Veganer, die jegliche Art tierischer Nahrung ablehnen, und in die

l

Fructaner, die auch unter pflanzlichen Produkten eine Auswahl treffen und sich von Frçchten, Nçssen und Samen ernåhren. 4.3.2 Der Vegetarier handelt unter ækologischem Gesichtspunkt ækonomisch

Auûer ethischen Argumenten darf der Vegetarier auch ækonomische und ækologische Argumente ins Feld fçhren. Auf einem Hektar Ackerflåche kann etwa achtmal soviel Sojaprotein und viermal soviel Protein anderer Leguminosen erzeugt werden als Fleischprotein (s. Kap. 1.7). Um einen ¹Fleischesserª zu versorgen, werden, so hat jemand ausgerechnet, pro Jahr eine landwirtschaftliche Nutzflåche von 1,3 Hektar und 15 m3 Wasser benætigt, wåhrend fçr die Versorgung eines Veganer 0,07 Hektar und 1 m3 Wasser ausreichen. Hinzu kommt, dass in den Industrielåndern der Fleisch-Konsum etwa doppelt so hoch als notwendig ist. 4.3.3 Der Vegetarier kann auch auf medizinische Argumente verweisen Auch unter medizinischen Gesichtspunkten kann es einen Unterschied machen, ob man Vegetarier ist oder Fleisch zu sich nimmt, und woher das Fleisch stammt. l

Fleisch, besonders rohes Fleisch, wird eher Parasiten und Krankheitserreger enthalten, die gefåhrlich werden kænnen, als pflanzliche Kost.

4.3 Tierische kontra pflanzliche Kost: Was ist Wissenschaft, was auûerwissenschaftliche Einstellung

Pflanzen haben keine Trichinen und Bandwçrmer. In Tieren vorkommende Viren sind fçr uns schådlicher als in Pflanzen vorkommende Viren. Viren der Hçhner sind eher in Kauf zu nehmen als Viren der Såuger. l

Pflanzenkost kann manche unerwçnschten Bestandteile, z. B. Cholesterin, nicht oder in geringerem Umfang enthalten.

l

Såuglinge sind augenscheinlich in der Lage, Antikærper aus der Muttermilch unverdaut aufzunehmen. Auch wenn hierfçr vermutlich spezielle Transcytose-Mechanismen zur Verfçgung stehen, ermahnt das Beispiel der Antikærper doch, an die Mæglichkeit zu denken, dass bisweilen Proteine unverdaut in unseren Kærper gelangen kænnten. Bestimmte Nahrungsmittel-Allergien beweisen, dass bisweilen auch græûere Molekçle durch die Wand der Mundhæhle, der Speiseræhre oder des Magendarmtraktes ins Blut gelangen.

Die Verdauung ist keineswegs immer so vollståndig, wie Lehrbçcher der Physiologie glauben machen kænnten. Bestimmte Proteine, namentlich die berçchtigten Prionen (z. B. das die Rinderkrankheit BSE verursachende Protein), sind gegen Verdauung vollståndig resistent und gelangen intakt in den Kærper (wie ist noch unklar). Auch manche Peptidbruchstçcke kænnen bisweilen in unseren Kærper geraten (z. B. çber Micellen, s. Abb. 4.24) und eine Immunreaktion auslæsen. Wir werden, wenn wir die Verdauungsstraûe entlanggehen, erfahren, wie Peptide çber das trojanische Pferd von Micellen (dort vorgestellt) in den Kærper gelangen kænnten. Bei Såugerpeptiden wird das Immunsystem eher einem Irrtum verfallen, wenn es entscheiden muss, was kærpereigen und was kærperfremd ist, als bei einem Hçhner- oder Pflanzenpeptid. Wenn das Immunsystem Antikærper gegen z. B. Insulin oder Myosin des Schweins erzeugt, kænnte es wohl passieren, dass diese Antikærper mit dem kærpereigenen Insulin oder Myosin kreuzreagieren. Ein Irrtum kænnte eine Autoimmunreaktion færdern (s. Kap. 7, Immunologie).

l

Eine generelle Empfehlung, kein tierisches Eiweiû zu sich zu nehmen, kann also manchem Allergiker tatsåchlich helfen. Vielleicht ist er nur gegen ein ganz bestimmtes Schweinepeptid allergisch und kænnte sehr wohl Hçhnerfleisch oder Fisch essen. Der Glaube hilft ihm dennoch, da er auch Schwein meidet. 4.3.4 Auch pflanzliche Kost kann sehr schådlich sein

Mancher, der sich modegemåû zu pflanzlicher Rohkost bekehren låsst, erlebt eine herbe Enttåuschung. Die Roh- und Kærnerkost bekommt ihm gar nicht. l

Die Schale von Getreidekærnern enthålt nicht nur erwçnschte Vitamine, sondern auch schwer vertrågliche Komponenten, beispielsweise Lektine. Unter den Lektinen (kohlenhydratbindenden Proteinen) mit der Sammelbezeichnung Gluten finden sich mehrere, die giftig sind und auf die 5 bis 20 pro 100 000 Personen mit schlimmen Krankheitssymptomen (Glutenenteropathie, einheimische Sprue, Zæliakie) reagieren. Auch kænnen sie den Ausbruch von Darmkrebs færdern. Anzeichen fçr eine Glutenunvertråglichkeit sind Blåhungen, Appetitlosigkeit und ståndiger Durchfall. Weiterhin scheint es, dass manche Menschen Gluten (ebenso wie auch Kasein, d. h. Milcheiweiû) nicht vollståndig verdauen kænnen, die Restpeptide ins Blut und çber das Blut ins Gehirn gelangen und eine Opioid-artige Wirkung entfalten. Die Folgen seien Antriebslosigkeit, Mçdigkeit, Depression, krankhafte Abneigung gegen soziale Kontakte, verminderte Schmerzempfindung, chronische Verstopfung und weitere von Opioiden bekannte Wirkungen (http: //www.welt.de/data/2004/05/29/284264.html).

l

Generell haben sich Pflanzen in den Jahrmillionen ihrer Evolution gegen çbermåûigen Tierfraû zur Wehr setzen mçssen und dabei eine Vielzahl von Giften erfunden. Will man sich in der Literatur informieren, findet man solche Abwehrgifte unter den Rubriken Alkaloide und ¹sekundåre Pflanzenstoffeª. Die Milch glçcklicher Kçhe auf der Alm enthålt, wenn man nur

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

genau und vielseitig untersucht, eine Vielzahl von Giften, wenn auch meistens nur in Spuren. l

Auch wenn Parasiten und Viren der Pflanzen im Allgemeinen ungefåhrlich sind, giftiger Pilzbefall ist es nicht. Manch grausame Krankheit des Mittelalters geht auf Pflanzenpilze zurçck. Das Mutterkorn (Secale cornutum), ein Getreide befallender Pilz, war mit seinen Mutterkornalkaloiden Ursache jener grausamen Krankheit, die der gekreuzigte Christus in Grçnewalds Isenheimer Altarbild zeigt. Die Haut ist von schwarzen Geschwçren çberzogen (Antoniusfeuer, Mutterkorn-Brand, Ergotismus gangraenosus).

4.3.5 Wie sich der Vogel und manch anderes Tier vor tçckischen Giften schçtzt Der Instinkt gibt dem Vogel keinesfalls ein zuverlåssiges Wissen, was er meiden muss. Der Vogel im Winter zeigt, wie man die Gefahr einer Vergiftung herabsetzen kann. Trotz Hunger verspeist er von jeder Samen- und Beerensorte nur ein paar wenige Kostproben und fliegt dann weiter zum nåchsten, anderen Strauch. Die Vielfalt gekosteter Beeren sichert einerseits seinen Bedarf an essentiellen Nahrungskomponenten, schçtzt ihn andererseits vor allzu hohen Dosen eines bestimmten Giftes. Die glçckliche Kuh von der Alm profitiert vom Artenreichtum der Wiesenpflanzen. Kleinste Mengen unterschiedlicher Gifte werden im Allgemeinen ohne Bauchgrimmen verkraftet. Die Leber hat Mechanismen, die verschiedensten Gifte mittels des Enzyms Cytochrom P450 oxidativ zu zerstæren (s. Kap. 5).

Abb. 4.4. Kærperbau als Funktion des Nahrungserwerbs

4.5 Das Einschleusen und der Transport der Nahrung

4.4 Die Kærpergrundarchitektur eines Lebewesens spiegelt seine Strategie wider, sich die lebensnotwendige Nahrung zu beschaffen Wenn man eine sesshafte, bewegungsarme und in ihrer Gestalt radiåre Seerose vor sich hat und darçber schwimmend einen stromlinienfærmigen, bilateralsymmetrischen Fisch sieht (Abb. 4.4), so werden intuitiv Assoziationen mit Pflanzen einerseits (See¹roseª) und Tieren andererseits wach, auch wenn sogar der Laie die Seerose sehr wohl ins Tierreich einzuordnen weiû. Wie aber erklårt sich die unterschiedliche Gestalt? Gewiss wird man auf die evolutionsgeschichtlich ¹niedrigeª Stellung der Seerose hinweisen (Stammgruppe Coelenterata, Stamm Cnidaria). Aber es gibt sogar Einzeller, die bilateralsymmetrisch sind, so eine Vielzahl von Ciliaten, die auf dem Boden von Gewåssern herumkriechen (z. B. Stylonychia mytilus). Andererseits gibt es ¹hæhereª Tiergruppen, die nicht bilateral, sondern radiår gebaut sind: Seesterne, Seelilien, Seeigel ± Vertreter der Echinodermen zum Beispiel. Eine Tendenz zu sessiler Lebensweise und zu einem radiåren Bau findet sich bei wasserlebenden Tieren, die weitgehend passiv verharrend das einfangen, was von irgendwo daher schwebt oder daher schwimmt. Die Umwelt gibt der Seerose eine Oben-unten-Asymmetrie vor: oben der freie Wasserkærper, unten der Boden. Oben wird der Mund, unten die Fuûscheibe angeordnet. Woher aber die Nahrung heranschwebt, ist weitgehend dem Zufall çberlassen. Dem trågt die radiåre Anordnung der Fangarme Rechnung. Steht der wartende tierische Organismus in einer Wasserstræmung, die eine zuverlåssige Vorzugsrichtung hat (z. B. Gezeitenstræmungen), besteht die Neigung zum bilateralen Bau. Beispiel: Seefedern (Weichkorallen). Tiere, die sich aktiv auf ein Ziel zu bewegen, sind in der Regel bilateralsymmetrisch. Wir finden eine Rçcken-Bauch- und eine Vorn-hintenAsymmetrieachse, wohingegen die linke und rechte Kærperhålfte spiegelbildlich zueinander gestal-

tet sind. Vorne finden wir einen Orientierungspol, wo die Fernsinnesorgane (Augen, Geruch, Gehær, gegebenenfalls Infrarotrezeptoren) konzentriert werden, hinten ist der Antrieb (bei wasserlebenden Arten) oder das Steuerruder des Schwanzes. Vorne wird auch gleich der Mund angeordnet. Ihm sind Sinnesorgane zur Prçfung der Nahrung (Geschmack) beigeordnet. Und da schon so viele Sinnesorgane am vorderen Orientierungspol konzentriert sind, ist es zweckmåûig, dort auch die zentrale Datenverarbeitungsanlage (Gehirn) unterzubringen, um Leitungsbahnen mæglichst kurz zu halten. Das bilateralsymmetrische Tier, das gezielt die Beute aufsucht, hat in der Evolution einen ausgeprågten Kopf mit Fernsinnesorganen und Mund am Vorderende entwickelt (Cephalisation). Die Fortbewegungsrichtung kann darçber hinaus weitere Pråferenzen begçnstigen: Frisches, sauerstoffreiches Wasser oder frische Luft wird man leichter am Vorderpol ansaugen kænnen als am Hinterpol, wo Wirbelbildung das Hereinsaugen in Kærperæffnungen erschwert. Andererseits låsst man Abfall am besten hinter sich. Daraus ergibt sich eine Tendenz, einen von vorn nach hinten ziehenden Verdauungskanal zu konstruieren und den Abfall in der Nåhe des Hinterpols abzulassen. Auch die Abflussræhren der Nieren mçnden nahe dem Hinterende.

4.5 Das Einschleusen und der Transport der Nahrung 4.5.1 Vom Saugmund zur Mçhle: die Evolution unseres Kauapparates Die Evolution hat einen unglaublichen Erfindungsreichtum entfaltet, um tierische Lebewesen so auszustatten, dass sie zu ihrer Nahrung kommen und sie mundgerecht zubereiten kænnen: Wurfnetze, Angeln mit Kæder, klebrige Fåden, Siebe und Filter, Raspeln, Haken, Giftstacheln, Harpunengeschosse, Klauen und Zåhne. Die Vielfalt ist so groû, dass nur Bçcher der speziellen

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

Zoologie fçr alle Einrichtungen Beispiele nennen kænnen; denn der ganze Bauplan der Tiere ist schlieûlich auch auf die Bedçrfnisse des Nahrungserwerbs zugeschnitten, wie Abb. 4.4 in groben Zçgen illustriert. Im Weiteren soll nur auf einige Aspekte der Evolution unseres eigenen Kauapparates hingewiesen werden. Der kiefer- und zahnlose Filtrierer. Die ersten Wirbeltiere waren noch kieferlos (Agnatha = Kieferlose); die Neunaugen sind letzte lebende Vertreter dieser Gruppe. Die Larven der Neunaugen leben als Filtrierer. Die Kiemenschlitze fungieren als Filter wie bei den Seescheiden und bei Branchiostoma (Amphioxus, Lanzettfischchen). Eine Rinne am Boden des Schlundes, das Endostyl, sondert klebrigen Schleim ab, der die abfiltrierten Kleinpartikel aufnimmt, festhålt und so verhindert, dass sie wieder aus dem Kiemendarm herausgespçlt werden. Das partikelbeladene Schleimband wird alsdann mittels Cilien wie ein Færderband in den Darmtrakt bewegt. Der Mensch durchlåuft eine embryonale Entwicklungsphase mit Kiementaschen und Endostylanlage, als ob er ein Fisch werden wollte. Die Saugpumpe. Nach der Metamorphose werden heutige Neunaugen parasitische Blutsauger. Einstmals konnten die Kieferlosen ihren Mund als Saugpumpe einsetzen wie es heutzutage beispielsweise die Walhaie tun (suction feeder). Durch Erweitern des Rachenraums bei zunåchst geschlossenem Mund und Kiemenschlitzen wird ein Unterdruck erzeugt. Beim plætzlichen Aufreiûen des Mauls werden Wasser und Nahrungspartikel, vielleicht auch mal eine græûere Beute, angesaugt. Bei geschlossenem Mund wird das Wasser durch die Kiemenschlitze wieder hinausgepresst. Dabei bleibt Nahrung wie in einer Reuse hången. Ein solches Saug-Pump-Filtrieren funktioniert freilich nur unter Wasser. Der Schnappkiefer mit Fangzåhnen. Noch bevor Amphibien entstehen konnten, musste ein anderer Apparat zum Beutefang erfunden werden. Die Læsung war der zahnbewehrte Schnappkiefer.

Bis zu den Reptilien einschlieûlich waren es spitze Fangzåhne, die als Werkzeuge im Kiefer befestigt waren, geeignet zum Fangen der Beute und zum Herausreiûen von Stçcken, nicht aber zum Schneiden und Zermahlen. Die groûen Stçcke kænnen nur langsam von den Verdauungsenzymen aufgelæst werden. Reptilien brauchen eine lange Verdauungsruhe. Vor allem der Pflanzenfresser war unzulånglich ausgerçstet. Der Schneide- und Mahl-Apparat. Der stabile sekundåre Kiefer der Såuger kann wie eine Brechschere eingesetzt werden. Die Nahrung, ob pflanzliche oder tierische, kann in handliche Stçcke zerlegt werden, bevor sie in den Magen gelangt. Schneidezåhne helfen, den Apfel zu zerkleinern, Eckzåhne Beute festzuhalten und zu erdolchen. Im hinteren Kieferbereich verschmelzen mehrere Einzelzåhne zu gut verankerten Backenzåhnen mit mehreren Wurzeln und welligen Kauflåchen. Sie wirken als Mahlsteine und kommen vor allem dem Pflanzenfresser zugute. Wangen verhindern das Herausfallen beim Zerlegungsprozess. Das Zerschneiden und Zermahlen erfordert eine weitere Umkonstruktion. Ein sekundårer Gaumen trennt die Nasenhæhle von der Mundhæhle. Der Luftweg wird nicht mehr so leicht verstopft. 4.5.2 Das Verschlucken: eine Unzulånglichkeit der Evolution muss bewåltigt werden Als sich in der Evolution der Fische die Lungen entwickelten, waren sie zunåchst bloûe ZusatzAtemorgane: Såcke des Vorderdarms, in die bei Sauerstoffmangel Luft hineingeschluckt werden konnte. Fræsche pressen noch heutzutage Luft durch Schlucken in ihre Lungen. Mit der Optimierung der Lungenfunktion musste der Verdauungskanal vom Luftkanal getrennt werden. Nun aber lag die Nasenæffnung seit eh und je dorsal des Mundes und der Speiseræhre, die Lunge ventral. Luftweg und Nahrungskanal kreuzen sich. Dennoch haben es die Såuger gelernt, gleichzeitig zu schlucken und zu atmen. Der Kehlkopf ragt wie ein Schnorchel in den hinteren Rachenraum;

4.5 Das Einschleusen und der Transport der Nahrung

Abb. 4.5. Schluckvorgang. Es muss verhindert werden, dass die Nahrung oder Flçssigkeit in die Luftræhre gelangt. Beim adulten Menschen verhindert dies der bewegliche Kehlkopfdeckel. Beim trinkenden Såugling und Pferd ragt der Kehlkopf wie ein Schnorchel çber den Flçssigkeitsspiegel hinaus in den Luftraum

Flçssigkeit und Speisebrei kænnen links und rechts an diesem Schnorchel vorbeiflieûen (Abb. 4.5). Der herangewachsene Mensch kann das nicht mehr. Als Såugling konnte er es aber auch! Der Såugling erstickt nicht, wenn er minutenlang an der Brust der Mutter nuckelt. Er ist obligater Nasenatmer. Warum gibt der Mensch diese Fåhigkeit preis? Als Voraussetzung fçr das Sprechvermægen verlagert sich im frçhen Kindesalter der Kehlkopf nach unten. Nun muss ein besonderer Verschluss geschaffen werden, der wåhrend des Schluckens die Luftræhre verschlieût. In der Evolution der Såuger musste nicht nur ein Kehlkopfdeckel erfunden werden, sondern auch ein reflektorischer Steuerkreis, der von Sinneszellen ausgeht, die das Herannahen eines Nahrungsbolus ertasten, und bei Muskeln endet, die den Kehlkopfdeckel schlieûen. Es ist ein ¹Privilegª des sprechbegabten Menschen, sich nicht nur an Worten sondern auch an Bissen verschlucken zu kænnen und an einem ¹in die falsche Kehleª geratenen Knochensplitter zu ersticken.

Abb. 4.6. Peristaltischer Transport der Nahrung im Verdauungstrakt (Speiseræhre, Darm). In der propulsiven Peristaltik treiben Kontraktionswellen der Långs- und Zirkularmuskeln den Nahrungsbolus voran

4.5.3 Peristaltische Wellen befærdern die Rohrpost weiter Rachenraum, Speiseræhre, Magen und Darm sind ein Færdersystem. Die Ræhre hat eine innere Wandung mit Gleitschicht, die Mucosa, umhçllt von zwei Schichten von Muskulatur. Eine zirkulåre Muskulatur erwirkt Konstriktionen. In Kooperation mit der långsverlaufenden Muskulatur treiben wandernde Konstriktionen ± propulsive peristaltische Wellen (Abb. 4.6) ± den Nahrungsbrei vor sich her, zunåchst in einen Zwischenspeicher, den Magen. Im Magen und im Darmkanal dynamisieren walkende Mischbewegungen (Haustrationen) und Segmentationsbewegungen den Transport, bis am Ende der Strecke wieder etwas Ruhe einkehrt, damit Zeit fçr Resorption bleibt. Gesteuert werden die Bewegungen unter anderem von einem Geflecht sensorischer und motorischer Nervenzellen, die zwischen die Muskulatur eingebettet sind (Auerbachsche oder myenterische Plexus und Meissnersche Plexus).

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung Abb. 4.7. Verdauungstrakt im Ûberblick

Abb. 4.8. Drçsen im Fundusteil der Magenwand

Abb. 4.9. Salzsåure-Produktion in den Belegzellen der Fundusdrçsen. Entscheidend sind Protonenpumpen, die H+-Ionen çber die Membranen der Canaliculi (Kanålchen) ins Magenlumen befærdern

4.6 Der Verdauungstrakt als Flieûbandstraûe mit funktioneller Gliederung: ein kurzer Ûberblick

4.6 Der Verdauungstrakt als Flieûbandstraûe mit funktioneller Gliederung: ein kurzer Ûberblick Unschwer ist bereits aus der Anatomie eine dreigliedrige Struktur des Verdauungstraktes zu erkennen (Abb. 4.7). 4.6.1 Der Magen dient als Zwischenspeicher, leistet vorbereitende Arbeiten und startet die Proteinverdauung l

Der Magen ist Zwischenspeicher.

l

Mittels Salzsåure (HCl) wird die Nahrung sterilisiert (Abb. 4.8 u. 4.9).

l

Mittels Salzsåure werden auch Eiweiûe denaturiert und so der enzymatischen Spaltung besser zugånglich gemacht.

l

Im Magen setzt die Eiweiûverdauung ein. Zuståndiges Enzym ist das Pepsin, das beim Såugling noch fehlt und vor allem Kollagen auflæst. Bindegewebe und Fleisch zerfallen.

l

Beim Såugling færdert das Labferment die Milchgerinnung.

Weitere Funktionen betreffen den Schutz vor Selbstverdau. 4.6.2 Der Zwælffingerdarm (Duodenum) und die Bauchspeicheldrçse: Jetzt geht die Verdauungsarbeit erst richtig los Der Anfangsabschnitt des Dçnndarms hat nur eine Långe, die der Breite von 12 Fingern entspricht, ist aber l

der Hauptort des enzymatischen Abbaus.

l

In ihn mçndet die Bauchspeicheldrçse (Pankreas); diese liefert Hydrogenkarbonat (HCO±3) zur Neutralisierung der Salzsåure.

l

Die Bauchspeicheldrçse liefert darçber hinaus viele Enzyme, die bei neutralem bis leicht alkalischem pH arbeiten: ± Proteasen wie Trypsin, Chymotrypsin und Elastasen, ± Amylasen zur Spaltung von Kohlenhydraten, ± Lipasen zur Spaltung von Fetten.

Fçr die Fettspaltung liefert die Galle wichtige Hilfsmittel, die Gallensåuren. Die Galle ist ein Produkt der Leber und enthålt auûer den Gallensåuren die grçnen Gallenfarbstoffe, und dies sind Abfallprodukte aus dem Håmoglobinabbau. (Weiteres zu den Gallensubstanzen findet sich in Kap. 5.6 und 5.7). 4.6.3 Die weiteren Abschnitte des Dçnndarms (Jejunum, Ileum): Beendigung des Abbaus und Resorption Die Wandung ist mit Darmzotten (Villi) besetzt, vielzellige, fingerfærmige Strukturen, in die Blutund Lymphgefåûe hineinragen (s. Abb. 4.10). Die Zellen der Villi sind ihrerseits mit einem ¹Bçrstensaumª besetzt, d. h. mit Mikrovilli, die nur bei starker mikroskopischer Vergræûerung erkennbar sind. An den Mikrovilli haften Ektoenzyme, die zur Vervollståndigung der Verdauung beitragen. Ektoenzyme sind Enzyme, die, an die Zellmembran gebunden, auûerhalb der Zelle tåtig werden. Darçber hinaus begehen an der Spitze der Zotten Zellen Selbstmord (Apoptose), um intrazellulåre Enzyme freizusetzen. So wird beispielsweise auch das groûe Spektrum intrazellulårer Nukleasen zum Zerlegen von Nukleinsåuren verfçgbar. Zahlreiche in die Darmschleimhaut eingelassene Drçsen sorgen fçr Læsungsmittel und Puffersalze. Dann jedoch dienen die Villi mit ihren Mikrovilli vor allem der Resorption. Morphologischer Ausdruck dieser Funktion ist die enorme Oberflåchenvergræûerung. Die Villi vergræûern die Oberflåche des Dçnndarms auf Wohnzimmergræûe (40 bis 50 m2), die Mikrovilli auf die Græûe eines Fuûballfeldes (2000 m2).

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

Abb. 4.10. Dçnndarmzotten. Eine Zotte (Villus) ist eine fingerfærmige, kontraktile Ausstçlpung der Darmwand. In ihrer Spitze lysieren Zellen und setzen Enzyme zur Vervollståndigung der Verdauung frei. Die Epithelzellen der Villi-Schlåuche sind ihrerseits mit Mikrovilli besetzt. Diese sind um Græûenordnungen kleiner als die Villi. Ihre Auûenseite ist belegt

mit Proteoglykanen, die die Schutzschicht der Glycocalix aufbauen, und mit Ektoenzymen, die im Verdauungsgeschåft letzte Hand anlegen. In die Zotten ziehen Blutgefåûe und Lymphgefåûe, welche die resorbierten Nahrungskomponenten abfçhren

4.7 Die Salzsåure des Magens

4.6.4 Der Dickdarm mit Mast- und Enddarm (Colon, Rectum): Heimståtte fçr Symbionten und Ort der Wasserrçckgewinnung Was unsere Enzyme nicht zerlegen konnten, wird nun symbiontischen Mikroorganismen zur Verfçgung gestellt. Diese verstehen es, das eine oder andere noch zu nutzen (wenn sie auch unter den herrschenden anaeroben Bedingungen keinesfalls alles nutzen kænnen). Die Symbionten stellen uns dafçr Vitamine zur Verfçgung. Die Population der Symbionten wird immer wieder reduziert, wenn der Darm entleert wird. Sie kann aufgefrischt werden aus einer Reservepopulation, die im Blinddarm eine ungefåhrdete Nische gefunden hat. Eine unerlåssliche Funktion des Dickdarms ist die Rçckresorption des Læsungsmittels Wasser. Tåglich produzieren die Drçsen des Verdauungstraktes 7 bis 8 Liter Spçl- und Læsungsflçssigkeit, die letztlich dem Blut entnommen worden ist und ins Blut wieder zurçckgefçhrt werden muss.

4.7 Die Salzsåure des Magens 4.7.1 Die Salzsåure sterilisiert die Nahrung und denaturiert Proteine; die Produktion der Salzsåure erfordert eine millionenfache Konzentrierung Auf jeder Beere, auf jedem Obst sitzen Hefen, die nur darauf warten, dass die pflanzlichen Schalen und Zellwånde verletzt werden. Nach dem Zerkauen unserer Kost wçrden sie unverzçglich im (sauerstoffarmen) Magen beginnen, ihre Fåhigkeit zur Gårung auszukosten. Salzsåure soll sie abtæten. Trinken wir nach dem Genuss von Kirschen zuviel Wasser, wird die Salzsåure zu sehr verdçnnt. Die Hefen çberleben und erzeugen Gårgase (CO2, Methan), die in ihrer Menge unangenehm, ja lebensgefåhrlich werden kænnen.

Mit Salzsåure werden auch Proteine denaturiert. Sichtbarer Ausdruck ist das Gerinnen der Milch im Magensaft. Denaturierte Proteine sind leichter enzymatisch anzugreifen. Die Produktion der Salzsåure ist eine Meisterleistung an Konzentrierungsarbeit. Am Entstehungsort der Salzsåure, in den Drçsenschlåuchen des Magens (Abb. 4.8), herrscht ein pH von eins. Der Normal-pH-Wert, wie er auch im Blut vorliegt, ist bekanntlich sieben. Die Konzentrierung von pH 7 auf pH 1 betrågt sechs Zehnerpotenzen (1 : 106). Im Fundusteil des Magens senken sich Drçsenschlåuche in die Tiefe der Magenwand (s. Abb. 4.8). Sie beherbergen drei Zelltypen: l

Hauptzellen in der Tiefe sezernieren Pepsinogen,

l

Belegzellen im mittleren Abschnitt erzeugen die Salzsåure,

l

Nebenzellen vervollståndigen den Wandaufbau.

Die Hauptarbeit bei der Salzsåureproduktion leisten Protonenpumpen, die in den Belegzellen Protonen (H+) aus dem Cytoplasma heraus çber die Zellmembran in winzige Kanåle (Canaliculi) pumpen (Abb. 4.9). Diese Canaliculi æffnen sich in den Schlauch der Fundusdrçse, die ihrerseits in den Magen mçndet. Quelle der Protonen ist letztendlich Wasser. Es reagiert unter Vermittlung des Enzyms Carboanhydrase mit CO2 zu Kohlensåure. Diese setzt Protonen (H+) frei, die mittels einer ATP-getriebenen Pumpe aus der Zelle transportiert werden. Die negativ geladenen Chloridionen (Cl±) folgen den positiv geladenen Protonen passiv durch besondere Chloridporen der Zellmembran. Die von der Kohlensåure çbrig bleibenden Hydrogencarbonat-Ionen werden dem Blut çberantwortet. In der Lunge wird dann aus dem Hydrogencarbonat wieder CO2 freigesetzt (s. Kap. 8, Atmung).

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

4.8 Schutz vor Selbstverdau, Regelung der Verdauungsprozesse und Arbeitsablåufe 4.8.1 Verdauungsenzyme werden erst an Ort und Stelle aktiviert Verdauungsenzyme sind aggressiv. Auch Zellmembranen werden nicht verschont, sonst kænnte die Nahrung nur hæchst unzulånglich erschlossen werden. Wie aber schçtzt sich der Verdauungstrakt selbst vor der Aggressivitåt seiner Enzyme? Der Blick auf eine Fundusdrçse verråt eine erste Taktik. Das Verdauungsenzym Pepsin wird an der Basis des Schlauchs in Form eines inaktiven Zymogens (Proenzym) erzeugt und sezerniert. Zymogene sind græûere Vorlåuferproteine, die erst nach dem Abspalten eines Stçcks der Peptidkette zum aktiven Enzym avancieren (Beispiel: Abb. 4.11). Der Vorlåufer heiût in diesem Fall Pepsinogen. Erst im Lumen des Kanals kommt die Salzsåure hinzu, die zur Aktivierung dieser Protease erforderlich ist. Der Angriff des aktivierten Enzyms auf die Magenschleimhaut wird abgeblockt durch eine dçnne aber zåhe Schleimschicht aus komplizierten Zucker-Proteinmolekçlen (Proteoglykanen), die den Enzymen den Zugriff zur Magenwand verwehren, selber so rasch nicht abgebaut werden kænnen und laufend erneuert werden.

Abb. 4.11. Aktivierung von Trypsin. Nach Abspaltung eines Peptids durch eine Enterokinase, die auf der Oberflåche der Mikrovilli im Dçnndarm sitzt, entsteht das aktive katalytische Zentrum. In der ¹katalytischen Triadeª mit Serin, Histidin und Aspartat spielt das Serin an Position 195 eine entscheidende Rolle

Zerstærung dieser Schleimschutzschicht durch Bakterien (Helicobacter pylori) oder allzu viel Magensåure fçhrt zu den berçchtigten Magen- oder Darmgeschwçren (Ulcus ventriculi bzw. Ulcus duodeni). Ist zuviel HCl die Ursache, kænnen Medikamente (wie Omeprazol) Hilfe bringen, welche die Protonenpumpe der Belegzellen (Abb. 4.9) blockieren.

Es ist eine in der Evolution der Tiere bewåhrte Taktik, Verdauungsenzyme nur bei Bedarf und erst an Ort und Stelle im Lumen des MagenDarm-Trakts aus inaktiven Vorstufen freizusetzen und zu aktivieren. Unsere Geruchs- und Geschmacksrezeptoren in Nase und Mund melden die bevorstehende Arbeit an. Das Gehirn gibt

4.8 Schutz vor Selbstverdau, Regelung der Verdauungsprozesse und Arbeitsablåufe

Abb. 4.12. Regelungsgeschehen im Verdauungstrakt. Die enkephale Steuerung geht von Sinneseindrçcken oder Vorstellungen aus und leitet çber nervale Leitungen (Parasympathicus) die vorbereitende Sekretion des sauren Magensaftes aus den Fundusdrçsen ein. Die intestinale Steuerung geht von

Sinneszellen im Magen-Darm-Trakt aus, welche das Volumen, die Beschaffenheit und chemische Zusammensetzung des Nahrungsbreies messen. Ûber hormonale Signale werden passende Reaktionen der Drçsen (Fundusdrçsen, Pankreas, Leber-Gallenblase) ausgelæst

çber das vegetative Nervensystem Befehle an die Drçsen weiter (Abb. 4.12). Jetzt erst werden Pepsinogen und Salzsåure sezerniert.

4.8.2 Ein Regelwerk mit Sensoren, Nervenleitungen und hormonalen Signalstoffen dirigiert den Prozessverlauf Wenn der Pfærtner am Magenausgang Nahrung in Portionen von ca. 10 ml in den Dçnndarm entlåsst, messen Mechanorezeptoren die Dehnung

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

des Darms und Chemorezeptoren den pH und die Qualitåt des Nahrungsbreis und kontrollieren den Verdauungsfortschritt (Abb. 4.12). Ûber Leitungen des vegetativen Nervensystems und çber eine Vielzahl parakriner Gewebshormone werden Pankreas, Gallenblase, Dçnndarmzotten etc. angesteuert. Die sensorischen Nervenzellen des Magen-Darm-Traktes sind mitunter selbst neuroendokrine Steuerungszellen. Man kennt heute eine græûere Zahl solcher Gewebs- oder Neurohormone und ist weiteren auf der Spur. Es sind Peptidhormone. Beispiele: Gastrin: Kommt eine Portion Nahrung in den Magen und wird die Magenwand gedehnt, wird Gastrin in die benachbarten Blutkapillaren freigesetzt. Ûber die Blutgefåûe erreicht Gastrin auch die Fundusdrçsen und regt sie zur verstårkten Arbeit an. Sekretin: Wird im Dçnndarm die Ankunft eines sauren Nahrungsbolus gemessen, regt Sekretin ± wieder vermittelt çber die ærtlichen Blutgefåûe ± das Pankreas an, neutralisierendes Hydrogencarbonat bereitzustellen. Cholecystokinin: Erspçren die Chemorezeptoren des Dçnndarms die Anwesenheit von Fetten, fordern sie çber dieses Peptidhormon die Gallenblase auf, ihre Hilfsmittel zur Verfçgung zu stellen (griechisch: chole = Galle, cystis = Blase, kinein = bewegen). Aber auch das Pankreas spricht an (weshalb das Hormon auch Pancreozymin heiût). Schlieûlich muss das Pankreas ja auch Lipasen liefern.

4.9 Enzyme und sonstige Hilfsmittel zur Erschlieûung der Nahrung 4.9.1 Wozu Zerlegung, wenn hinterher wieder Synthesen folgen mçssen? Polymere Kohlenhydrate werden in monomere Zucker gespalten, Proteine in Aminosåuren, Phospholipide und Fette (Triglyceride) in Fettsåuren und Restgruppen. Und was macht der Kærper mit den kleinen Bausteinen? Er benutzt sie groûenteils, um wieder polymere Kohlenhydrate, Proteine und Lipide åhnlicher Struktur herzustellen. Das ist aufwendig und kostet Energie. Warum also? Fettsåuren kænnten in der Tat als solche wieder zur Synthese von Phospholipiden der Zellmembran und von Fetten genutzt werden. Die ganzen Lipide freilich wåren sehr unhandlich und schwierig an die Orte der Synthese zu bringen. Auûerdem muss unser Kærper die spezifische Komposition seiner Lipide unter Kontrolle halten. Mehr gilt dies noch fçr Kohlenhydrate und Proteine, vor allem Proteine! Wir brauchen unsere artspezifischen, z.T. sogar individualspezifischen Proteine. Da hilft nur Synthese de novo unter der Instruktion durch das Genom. 4.9.2 Die enzymatische Zerlegung der Kohlenhydrate beginnt im Mundraum und endet erst an der Oberflåche der Dçnndarmzotten. Cellulose und Chitin sind jedoch unangreifbar Die quantitativ bedeutsamsten Kohlenhydrate der Nahrung sind l

Cellulose ± ein Sonderfall, den wir noch diskutieren werden,

l

Stårke und die tierische Stårke, Glykogen (Abb. 4.13),

l

Disaccharide wie Saccharose (= Sucrose, Rçbenzucker, Rohrzucker), Maltose (Malzzucker) und Lactose (Abb. 4.14).

4.9 Enzyme und sonstige Hilfsmittel zur Erschlieûung der Nahrung Abb. 4.13. Kohlenhydrate. Stårke (Amylose und Amylopectin) und Glykogen, das in seiner Struktur dem Amylopectin gleicht (jedoch stårker verzweigt ist)

Abb. 4.14. Bindungsweisen von Disacchariden und von långerkettigen Kohlenhydraten, die sich auf Disaccharide zurçckfçhren lassen

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

Ohne groûe Mçhe sind zu verwerten: Stårke, eine Polyglucose (Abb. 4.13). Das polymere Riesenmolekçl windet sich helical und nimmt die Form einer Ræhre an, wobei eine Windung sechs Glucoseeinheiten umfasst. a-Amylasen des Speichels und der Bauchspeicheldrçse greifen wie eine Schere in die Ræhre und schneiden sie durch. Die Ræhre zerfållt in 6-GlucoseStçcke; diese werden dann weiter in 2-GlucoseStçcke, die dem Disaccharid Maltose entsprechen, zerlegt. Disaccharide (Abb. 4.14): Maltose (Glucose + Glucose), Saccharose (Sucrose = Glucose + Fructose) und Lactose (Galactose + Glucose) werden vor allem an den Mikrovilli des Dçnndarms in ihre monomeren Einheiten (Monosaccharide) zerlegt, wåhrend sie gleichzeitig resorbiert werden (s. Abb. 4.15). Hingegen sind die Polysaccharide Cellulose und Chitin fçr uns nicht, oder nur indirekt, erschlieûbar. Cellulose ist zwar wie Stårke aus Glucoseeinheiten aufgebaut. Der Unterschied liegt im Bindungstyp. l

Stårke: a-(1?4)-glykosidische Bindung (in der çblichen Darstellung weist die Sauerstoffbrçcke zwischen den Glucoseeinheiten nach unten);

l

Cellulose: b-(1?4)-glykosidische Bindung (in der çblichen Darstellung weist die Sauerstoffbrçcke nach oben).

Dieser kleine Unterschied hat fundamentale Konsequenzen. Die Cellulose der pflanzlichen Zellwand, mengenmåûig das håufigste Kohlenhydrat auf Erden und ein riesiges potentielles Energiereservoir, steht dem Tier nicht (direkt) als Energiequelle zur Verfçgung, weil es kein passendes Enzym hat, um b-(1?4)-glykosidische Bindungen zwischen Glucoseeinheiten zu læsen. Chitin: Das zweithåufigste Kohlenhydrat auf der Erde ist der zweite Problemfall. Es besteht aus N-Acetyl-Glucose-Einheiten; wiederum liegt b-(1?4)-glykosidische Bindung vor. Wir mægen und verdauen kein Chitin, weshalb wir ¹Krabbenª

Abb. 4.15. Pansen-Magen-System der Wiederkåuer (hier Schaf). Gemåû traditioneller, neuerdings in Frage gestellter Auffassung soll nur der Labmagen unserem menschlichen Magen homolog sein; die çbrigen Teile gelten oder galten als Differenzierungen der Speiseræhre (Oesophagus)

schålen. Arthropoden haben zwar eine Chitinase, mittels derer sie den alten Chitinpanzer ablæsen kænnen, wenn sie sich håuten. Umso erstaunlicher ist es, dass die Natur das restliche, durch Håutung abgestreifte Chitin den Pilzen und Bakterien çberlåsst. Nur wenige Tiere (z. B. Regenwçrmer) kænnen Chitin zur Ernåhrung nutzen. Es scheint wohl an der b-glykosidischen Bindung zu liegen. Andererseits enthålt auch der Milchzucker Lactose eine b-(1?4)-glykosidische Bindung. Mit der Lactose hat es eine besondere Bewandtnis. 4.9.3 Der græûte Teil der erwachsenen Menschheit vertrågt keine Milchzucker enthaltenden Nahrungsmittel; Milchvertråglichkeit ist korreliert mit der historischen Ausbreitung der Viehzucht Der Såugling will den Milchzucker nutzen. Er hat zu diesem Zweck das Enzym Lactase (Bakterien stattdessen die dem Molekularbiologen so vertraute b-Galactosidase). Wenn der Såugling von der Mutter entwæhnt wird, braucht er keine Lactase mehr; er stellt die Produktion ein. Erwachsene kænnen Milchzucker nicht mehr verwerten. Sie

4.9 Enzyme und sonstige Hilfsmittel zur Erschlieûung der Nahrung

vertragen ihn auch nicht mehr; er erzeugt Bauchgrimmen und Durchfall. Dies ist die Regel ± bei den meisten Vælkern der Welt. Mit der Etablierung und Ausbreitung der Milchwirtschaft hat sich in manchen Regionen der Erde, so z. B. in Europa, die Såuglingszeit bis ins Erwachsenenalter verlångert. Erwachsene Europåer kænnen sich in der Regel ohne Beschwerden an Milchprodukten gçtlich tun. Eine Lactase-Defizienz (Lactase-Mangel) findet man bei 97% der Thailånder aber nur bei 3% der Dånen. Lactase-Mangel hat Lactose-Intoleranz zur Folge. Sie åuûert sich in Blåhungen und Durchfall. 4.9.4 Symbionten: Was man nicht selber hat, kann man sich borgen Es ist eigenartig, dass die Evolution es nicht geschafft hat, Wirbeltiere mit einer Cellulase auszustatten. Mæglich wåre es im Prinzip. Eine Reihe von Bakterien (Actinomyceten) hat eine Cellulase, ebenso eine Reihe von Protozoen und Hefepilzen, wie sie im Darm von Termiten gefunden werden. Es gibt sogar einige ± wenige ± Tiere, denen man die Fåhigkeit zuspricht, eine eigene Cellulase herstellen zu kænnen. Es sind dies beispielsweise die Schiffsbohrmuschel Teredo und das flçgellose Insekt Ctenolepisma, das ¹Silberfischchenª. Die Wirbeltiere und auch die meisten wirbellosen Tiere, wie z. B. Termiten, Kåfer und Weinbergschnecken, mçssen sich symbiontischer Mikroorganismen bedienen, um indirekt pflanzliche Kost voll nutzen zu kænnen. Wegen der enormen Græûe und den vielfåltigen Primår- und Sekundårstrukturen der Cellulose und Hemicellulose sowie dem starken physikalischen Zusammenhalt der einzelnen Komponenten, erfordert bereits die Verdauung unverholzter Zellwånde die synergistische Wirkung mehrerer verschiedener Enzyme. Symbiontische Bakterien und Protisten zçchten l

Pferd und Schwein im Dickdarm,

l

Nagetiere (und Vægel) im Blinddarm,

l

Wiederkåuer (Ruminantia) unter den Paarhufern, erkennbar als Stirnwaffentråger, wie Antilope, Giraffe, Schaf, Reh und Rind im Pansen (und Netzmagen), einer Art Vormagen (Abb. 4.15).

l

Kamele, die vermutlich unabhångig von den Ruminantia zu Wiederkåuern wurden und wie diese mit einem mehrgliedrigen Magen ausgestattet sind.

Im Pansen-Magenbereich des Wiederkåuers hat sich ein ganzes Úkosystem etabliert. Der mehrkammerige Bioreaktor beherbergt Bakterien, Archaeen, Hefepilze und Protozoen in enormer Zahl. Pro ml Pansensaft wurden 1010 bis 1011 Bakterien in çber 200 Arten und 106 Protozoen gezåhlt. Die Symbionten, besonders die Bakterien, scheiden Cellulase aus und nehmen die freiwerdende Glucose auf. Da sie jedoch unter anaeroben Verhåltnissen leben, endet die energetische Verwertung bei organischen Såuren wie Essig-, Propion- und Buttersåure (Abb. 4.16; siehe auch Abb. 27.4). Die Kuh çbernimmt diese Såuren, um sie oxidativ weiter zu verarbeiten. Sie mag diese Såu-

Abb. 4.16. Stoffwechselgeschehen im Úkosystem Wiederkåuermagen. Die Symbionten, Bakterien und Flagellaten liefern Cellulase zum Verarbeiten von Cellulose. Die Cellulose liefert Glucose, die jedoch unter Sauerstoffmangel nicht zu CO2 und H2O sondern zu organischen Såuren katabolisiert wird. Die Symbionten erhalten vom Wirt Harnstoff und damit eine Stickstoffquelle, die sie nutzen, um aus den organischen Såuren Aminosåuren zu ihrem Wachstum herzustellen. Der Wirt nutzt çberschçssige Symbionten

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

ren und frisst daher auch das gegorene Silofutter mit Behagen. Die Kuh gibt im Gegenzug ihren Symbionten Harnstoff, die diese als Stickstoffquelle nutzen kænnen, um Aminosåuren herzustellen; denn pflanzliche Kost ist oft proteinarm; an Aminosåuren herrscht Mangel (Abb. 4.16). Im Pansen hat sich eine trophische Zwischenstufe zwischen Bakterien und Wiederkåuer eingenistet: Ciliaten. Ûberschçssige Ciliaten gelangen in den Labmagen, wo sie durch Salzsåure abgetætet und in den Verdauungsprozess eingespeist werden. Sie sind fçr den Wiederkåuer eine wichtige Eiweiûquelle. Eine Hochleistungskuh kann tåglich > 40 l Milch mit >1,2 kg Eiweiû produzieren. Diese Eiweiûmenge ist nicht in der aufgenommenen Nahrung enthalten, sondern wird groûenteils erst in der Symbiose mit den Mikroorganismen erzeugt und als Ûberschussprodukt çber die Blutbahn den Milchdrçsen zugefçhrt. Biogas-Methan. Der erstaunlich hohe Ausstoû an Methan (CH4, Biogas), das von den methanogenen Archaebakterien des Pansen erzeugt wird, war Anlass zu besorgten Diskussionen; denn Methan gilt mehr noch als CO2 als Treibhausgas. Ein Rind setzt pro Jahr 100 000 Liter CH4 frei. Bei weltweit 1,4 Milliarden Rindern addiert sich diese Menge zu einer Græûe, die bei Simulationen des kçnftigen Klimas nicht vernachlåssigt werden kann. Allerdings wird die Methanproduktion der Rinderherden weit çbertroffen von der Menge des Methan, das in Reisfeldern und natçrlichen Sçmpfen entsteht. Die weitaus græûte Quelle an Methan sind jedoch die gewaltigen Lager an Methanhydraten (Methaneis) in den Weltmeeren. Methaneis ist åhnlich dem Erdæl biogenen Ursprungs und schmilzt schon bei geringer Erwårmung oder Druckentlastung. Es wird andererseits von bestimmten Mikroorganismen mittels Sulfat oxidiert und damit teilweise entsorgt. Infos unter www. geowissenschaften.de und www.geotechnologien.de. Termiten sind gefçrchtet als Holzzerstærer. Ein Termitenstaat, der çber eine Mio. Mitglieder umfasst, kann ein Blockhaus innerhalb einer Woche baufållig machen. (Pilze, die ebenfalls Holz abbauen, bråuchten Jahre dazu.) Termiten haben jedoch in freier Natur eine groûe Bedeutung fçr das Recycling des im abgestorbenen Holz gebundenen Kohlenstoffs. Holz ist besonders schwierig abzubauen. Im Holz sind die Fasern aus Cellulose und Hemicellulose mit dem Kitt des Lignins verklebt. Lignin besteht aus einem aromatischen System von Phenylpropaneinheiten, das auch in der

Gårkammer der Termiten nicht abgebaut wird. Nach dem enzymatischen Herauslæsen der Kohlenhydrate wird Lignin ausgeschieden und zum Bau der åuûerst harten, bis zu 6 m hohen Termitenhçgel benutzt. Den Aufschluss der Kohlenhydrate, d. h. der Cellulose und Hemicellulose, besorgt ein Satz von wohl çber 100 Enzymen, die von Symbionten der Gårkammer bereitgestellt werden. In der Gårkammer finden sich Bakterien, Hefepilze und verschiedene Arten Termiten-spezifischer Flagellaten. Im Einzelnen ist noch nicht geklårt, welche Symbionten welchen Beitrag leisten. Manche Termitenarten machen sich Pflanzenmaterial indirekt zunutze, indem sie wie die Blattschneiderameisen in ihren unterirdischen Bauten Pilze auf Blattmaterial zçchten und sich von diesen Pilzen ernåhren.

4.9.5 Proteasen: Die Vielfalt potentieller Aminosåuresequenzen verlangt eine Vielzahl von spaltenden Enzymen Es gibt keine universell einsetzbare Protease (Peptidase). Enzyme haben im Allgemeinen hohe Wirkungsspezifitåt und zum Zerlegen auch kleiner Peptide benætigt man meistens mehrere Proteasen (Abb. 4.17). l Endopeptidasen zerhacken Proteinfåden in der Mitte. Zu ihnen gehæren: ± Pepsin im Magen. Eines der wenigen Proteine, die bei niedrigem pH (hohe Såurekonzentration) nicht denaturiert werden, sondern erst ihre volle Aktivitåt entfalten. ± Trypsin, Chymotrypsin, Elastase des Pankreas. Sie gehæren zur Familie der Serin-Proteasen, so benannt, weil in ihrem katalytischen Zentrum ein Serin-Rest eine wichtige Position einnimmt. Trotz åhnlicher Struktur ist ihre Wirkungsspezifitåt unterschiedlich. l

Exopeptidasen greifen Polypeptide von den Enden an.

Das katalytische Zentrum der meisten Proteasen, so auch das katalytische Zentrum der klassischen Modellprotease Trypsin, erhålt erst seine definitive, funktionstaugliche Struktur, wenn das Vorlåuferenzym (Proenzym, Zymogen) durch Abspalten eines inhibitorischen Peptids in das aktive Enzym

4.9 Enzyme und sonstige Hilfsmittel zur Erschlieûung der Nahrung

Abb. 4.17. Wirkungsspezifitåt verschiedener Proteasen

çberfçhrt worden ist (s. Abb. 4.11). Dabei spalten geringe Mengen an freiem Trypsin, wie sie zunåchst dank des Zugriffs anderer Peptidasen entstehen, von weiteren Trypsinogenmolekçlen das inhibitorische Peptid ab, und es entsteht mehr und mehr aktives Trypsin. In der Chemie spricht man bei solchen Prozessen der Selbstaktivierung von Autokatalyse. Antwort auf gelegentliche Fragen und Hinweis fçrs Labor: Wie werden die Verdauungsenzyme wieder beseitigt? Sie verdauen sich schlieûlich wechselseitig. Proteaselæsungen, wie sie im Labor oft benutzt werden, sind deshalb instabil. Das gilt sogar fçr eine reine Trypsinlæsung, weil noch aktive Trypsinmolekçle andere angreifen und durch Spaltung inaktivieren.

Der enzymatische Zerlegungsprozess fçr Kohlenhydrate, Proteine und Peptide endet erst an den Mikrovilli der Darmzotten (Abb. 4.18 u. 4.19). Man kennt noch långst nicht alle Proteasen und ihre Produktionsorte.

Abb. 4.18. Abbauweg der Kohlenhydrate

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

Abb. 4.19. Abbauweg der Proteine Abb. 4.20. Abbauweg der Nucleinsåuren

4.9.6 Nukleasen: Die Nahrung enthålt schlieûlich auch Gene und RNA. Wir essen pro Tag etwa 300 mg DNA; dies entspricht 3,5 ´ 1015 Genen In manchen Diskussionen um ¹Genfraûª und die Gefahren der Gentechnik mag nicht jedem Diskussionsteilnehmer gegenwårtig sein, dass wir mit jedem Bissen Nahrung Abermilliarden von Genen essen, auch bei vegetarischer Kost mit ¹reinen Naturproduktenª. Schulbçcher und Broschçren zur Ernåhrung vergessen meistens Nukleinsåuren, wenn sie von Nåhrstoffen handeln. Energetisch sind Nukleinsåuren auch nicht sehr ergiebig, aber sie sind da und werden verwertet (Abb. 4.20). Zwar kann der Organismus bei Bedarf aus Zuckern und Aminosåuren selbst Nukleotide synthetisch herstellen, doch das kostet

Energie. Mit der Nahrung aufgenommene Nukleotide sind billiger. 4.9.7 Nukleasen und Proteasen werden teilweise von Zellen freigesetzt, die Selbstmord begehen Nukleasen liefert u. a. das Pankreas, doch sind viele weitere Quellen von Nukleasen (DNAsen, RNAsen) mæglich. Jede Zelle benætigt in ihren inneren Reaktionsråumen eine Fçlle von Enzymen, um gealterte Proteine und gebrauchte Nukleinsåuren abzubauen. Darçber hinaus haben viele Zellen (z. B. Makrophagen und Granulocyten) Hydrolasen vielerlei Art in ihren Lysosomen gespeichert. Die Lysosomen sind gewissermaûen zellin-

4.10 Resorption und Abtransport

terne ¹Mågenª, in denen durch Endocytose verzehrtes Material verdaut wird. Alle diese Enzyme kænnen auch im Magen-Darm-Trakt gut gebraucht werden. Noch gibt es keine vollståndigen Listen, wo çberall Verdauungsenzyme produziert werden. Gewiss ist jedenfalls, dass die Zellen an der Spitze der Dçnndarmzotten (Villi) viele Enzyme freisetzen, wenn sie im Dienste des gesamten Organismus Selbstmord begehen und lysieren (s. Abb. 4.10). 4.9.8 Fette und Lipide brauchen eine besondere Behandlung Fette und Úle sind beliebte Energiespeicher der Natur. Auch bei fettarmer Gemçsekost kommt man nicht umhin, Fettsåuren zu verzehren; denn schlieûlich sind alle Zellmembranen aus Phospholipiden aufgebaut, und die haben lange Fettsåureschwånze (Abb. 4.21). Ungesåttigte Fettsåuren sind sogar essentielle Nahrungskomponenten und mçssen aus der Nahrung herausgeholt werden. Fette und sonstige Lipide im wåssrigen Milieu des Darmsaftes aus der Nahrung zu extrahieren und zu verarbeiten, ist nicht so leicht. Unser Magen-Darm-Trakt benutzt Detergentien (Tenside), um erst einmal Lipide aus Zellmembranen und Fettzellen herauszuholen. Es sind dies die Gallensåuren (Abb. 4.22), die von der Galle geliefert werden und sich chemisch vom Cholesterin, einer Komponente tierischer Zellmembranen, ableiten. Gallensåuren und Phospholipide helfen, Fette zu emulgieren, d. h. in winzige, frei im Wasser schwebende Træpfchen zu zerlegen. Es entsteht eine milchige Suspension. Lipasen finden nun besseren Zugang zu ihren Substraten (Abb. 4.23). Die Træpfchen werden kleiner und kleiner. Gallensåuren, Phospholipide und die Spaltprodukte der Fette (Diglyceride, Monoglyceride, freie Fettsåuren) bilden supramolekulare Aggregate, genannt Micellen. Die Komponenten der Micellen und freie Fettsåuren kænnen ohne viel Umschweife von den Zellen des Dçnndarms aufgenommen werden (Abb. 4.24 u. 4.25).

Abb. 4.21. Diverse Lipide (typische Vertreter)

4.10 Resorption und Abtransport 4.10.1 Bei der Resorption kommt jede Art von Transportsystem zum Zuge Wenn man wissen will, wie einzelne Substanzen vom Lumen des Darms schlieûlich ins Blut gelangen, verliert man bald den Ûberblick. Schlieûlich gibt es am Ende Hunderte von verschiedenen mo-

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung Abb. 4.22. Gallensåuren. Sie sind Derivate des Cholesterins und dienen als Detergentien

Abb. 4.23. Emulgat-Modell. Die Gallensåuren vermitteln zwischen den Triglyceriden (Fetten) und dem wåssrigen Medium

Abb. 4.24. Abbau- und Transportwege der Lipide im Ûberblick

4.10 Resorption und Abtransport Abb. 4.25. ¹Blutfetteª. Resorption von Micellen und Umbau zu Chylomikronen durch das Dçnndarmepithel. Die Chylomikronen gelangen çber die Lymphe ins Blut, erscheinen dort als Teil der ¹Blutfetteª (Lipoprotein-Aggregate). Øhnlich strukturiert sind die weiteren ¹Lipoprotein-Partikelª VLDL, VDL und HDL (s. Abb. 5.4)

nomeren und oligomeren Spaltprodukten, und alle Spaltprodukte mçssen mehrere Zellmembranen passieren, bis sie sich im Blut wiederfinden. Generell låsst sich jedoch sagen, dass såmtliche Transportsysteme zum Zuge kommen, die im Kapitel 3 vorgestellt wurden, einschlieûlich des Wassertransportsystems. Schlieûlich muss auch das Læsungsmittel, das literweise von allerlei Drçsen (Speicheldrçsen, Fundusdrçsen des Magens, Bauchspeicheldrçse, Drçsen des Dçnndarms) ab-

geschieden wird (pro Tag ca. 7 Liter), und das Wasser unserer Getrånke dem Darm entzogen werden. Wasser wird dem Verdauungstrakt zu einem betråchtlichen Teil osmotisch zugefçhrt und wieder entzogen. Die enzymatische Zerlegung der Makromolekçle aus der Nahrung in viele niedermolekulare Bestandteile erhæht im Duodenum den osmotischen Wert des Nahrungsbreis. Die Resorption dieser Komponenten im folgenden Darmabschnitt und ihre Ûberfçhrung in die Interstitialflçssig-

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung Abb. 4.26. Resorptionsprozesse in einer Zelle des Dçnndarms. Wichtige Antriebskraft ist der auf der Seite des Darmlumens waltende hohe Diffusionsdruck von Na+. Er treibt einen Na+/Glucose-Symporter an, der sowohl Na+ als auch Glucose in die Zelle befærdert. Auf der gegençber liegenden Seite sorgt der K+/Na+-Symporter dafçr, dass Na+ wieder die Zelle verlåsst und der Na+-Gradient erhalten bleibt. Glucose wird çber einen passiven Carrier ins Interstitium weiter geleitet. Neben diesen transzellulåren Mechanismen gibt es zwischen den Zellen einen parazellulåren Transport

keit und das Blut vermindert im Darmlumen wieder den osmotischen Wert, erhæht ihn andererseits jenseits des Darmepithels im Blut und in der Lymphe. Dieses osmotische Gefålle erzeugt einen Wasserrçckstrom. Das Wasser bewegt sich groûenteils parazellulår in den Spalten zwischen den Epithelzellen des Darms (Abb. 4.26). Dabei muss es die Porenfilter der Schlussleisten (tight junctions, zonula adhaerens) passieren. Im Dickdarm kann der Stuhl hypoton werden, weil im Dickdarmepithel die tight junctions tatsåchlich dicht sind. Weiteres Wasser wird bewegt, indem beispielsweise Chloridionen durch Membranen gepumpt werden und Wassermolekçle durch Wasserporen nachfolgen (nach dem durch Abb. 6.10 erlåuterten Prinzip).

Viel experimentelle Forschung war und ist auf die Frage gerichtet, wie im Besonderen Glucose vom Darmlumen ins Blut gelangt. Zu Messzwecken

gibt es u. a. Geråtschaften, in denen Darmwandstçcke zwischen zwei flçssigkeitsgefçllte Kammern eingespannt werden (Ussing-Kammern). Es wird die Passage von Substanzen von der einen in die andere Kammer bestimmt, gegebenenfalls vor und nach der pharmakologischen Blockierung eines der beteiligten Transportsysteme. Die bisherigen Ergebnisse sind in Abb. 4.26 modellhaft zusammengefasst. Die erste Barriere, die zu çberwinden ist, ist die apikale (¹luminaleª) Zellmembran der Epithelzellen des Dçnndarms. Diese Membran ist mit Translokatoren aus der Kategorie der Symporter bestçckt. Diese schleusen gleichzeitig Glucose und Na+ vom Darmlumen çber die Zellmembran in die Epithelzelle. Treibende Kraft ist der von auûen nach innen gerich-

4.11 Regelung der Nahrungsaufnahme

tete Na+-Gradient. Damit dieses arbeitsfåhige Konzentrationsgefålle erhalten bleibt, wird Na+ wieder aus der Epithelzelle hinausbefærdert, aber auf ihrer basolateralen Seite und mittels des Na+-K+-Antiporters (s. Abb. 3.11). Da dieser Antiporter seinerseits jedoch mit ATP als Treibstoff versorgt werden muss, spricht man auch von einem sekundåren aktiven Transport. Die im Zellinneren sich anreichernde Glucose gelangt dann dank ihres Diffusionsdruckes çber Carrier der basolateralen Membran in die interstitielle Flçssigkeit. Øhnlich sind die Mechanismen, die Aminosåuren çber das Epithel schleusen. Darçber hinaus sind die Epithelzellen des Darmes mit vielen substanzspezifischen Translokatoren bestçckt. Sie holen auf der ¹luminalenª Seite beispielsweise Ca2+, Fe2+ und wasserlæsliche Vitamine in die Zelle und entlassen sie auf der basolateralen ¹Serosaª Seite ins Interstitium. Neben dem transzellulåren Transport gibt es eine weitere Mæglichkeit der Stoffpassage. Ein betråchtlicher Teil der Elektrolyte, insbesondere Na+, gelangt gemeinsam mit dem Læsungsmittel H2O durch die Filter der tight junctions und den Spalt zwischen den Seitenwånden benachbarter Epithelzellen (lateral interspace) parazellulår in den interstitiellen Raum jenseits des Darmepithels. Man spricht von solvent drag und von konvektivem transepithelialem Stofftransport.

Die interstitielle Flçssigkeit zwischen den Epithelzellen und jenseits des Epithels steht in offener Verbindung mit dem Blut; denn die Wand der Blutkapillaren in ihren feinsten Veråstelungen ist weitgehend durchlåssig. Ein Blutdruck nahe Null erlaubt eine nahezu unbeschrånkte Permeabilitåt der Kapillaren (s. Kap. 9.5.3). Das langsam abflieûende Blut fçhrt die Glucose çber die Pfortader (s. Abb. 5.1) ab zur Leber. 4.10.2 Lipide gehen ihren eigenen Weg Die Micellen werden vom Darmepithel aufgenommen. Das kann çber Endocytose geschehen oder aber auch dadurch, dass verschiedene Komponenten der Micellen, wie Phospholipide, direkt in die Zellmembran der Epithelzellen integriert werden.

Jedenfalls werden die Materialien in den Epithelzellen des Dçnndarms umgebaut und wieder in Micellenform abgegeben. Nun heiûen die Micellen Chylomikrons (Abb. 4.24). Diese werden nicht direkt ins Blut abgeliefert sondern geraten in Lymphbahnen (Abb. 4.25 u. Abb. 5.1). Erst çber den Umweg çber den Brustlymphgang, die obere Hohlvene (Vena cava) und das Herz gelangen auch Lipide in eine Zentrale, wo alle Nahrung erst einmal zwischengelagert und weiter verarbeitet werden soll: in die Leber.

4.11 Regelung der Nahrungsaufnahme 4.11.1 Sollwert ist ein ausreichender Blutzuckerspiegel. Die Regelzentren des Hypothalamus melden sich mit Hunger- oder Såttigungsgefçhl Wann essen wir? Im Regelfall, wenn wir Hunger oder doch Appetit haben. Der Physiologe ist mit solchen Antworten noch nicht zufrieden. Er weiû, und dies wird im folgenden Kapitel 5 ausfçhrlich begrçndet, dass das Blut stets eine gewisse Mindestkonzentration an Glucose haben sollte. Der Kærper weiû dies auch und richtet seine Steuerungssysteme danach ein. Blut wird beståndig auch durch das Gehirn geleitet. Im Hypothalamus des Zwischenhirns finden sich Nervensinneszellen, die mit Glucoserezeptoren ausgerçstet sind. Werden diese beispielsweise mit Gold-Thioglucose blockiert, frisst die Versuchsratte, was immer sie in sich hineinstopfen kann. Ihr Hunger wird nicht gestillt; denn die blockierten Rezeptoren melden nichts, also einen vermeintlich fortbestehenden Glucosemangel. Ungehemmtes Fressen wird auch ausgelæst, wenn das im lateralen Hypothalamus gelegene ¹Hungerzentrumª (LHA = lateral hypothalamic area) durch Injektion des Neuropeptids Y (NPY) stimuliert wird. (NPY ist ein im Gehirn viel verwendeter Neurotransmitter). Werden andererseits Glucose in hoher Konzentration oder das Hormon Melanocortin 3 in das im Boden des Hypothalamus gelegene ¹Såttigungs-

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung Abb. 4.27. Hunger und Appetit regelnde zentrale Instanzen und einige der an der Regelung beteiligten Hormone. Als eine Regelgræûe gilt der Glucose-Gehalt des Blutes, der bestimmte Grenzwerte nicht unter- oder çberschreiten sollte. Weiteres zu diesem Thema s. Abb. 11.13

zentrumª VMN (ventromedial nucleus) injiziert, hært selbst ein abgemagertes, verhungerndes Versuchstier zu fressen auf. Wir setzen ¹Hungerzentrumª und ¹Såttigungszentrumª in Anfçhrungszeichen, weil sich die Funktion dieser neuralen Zentren nicht auf die Regelung der Nahrungsaufnahme beschrånkt. Dies wird in ¹Biopsychologieª (Pinel 2001) diskutiert und betont.

Auch im Magen-Darm-Trakt erzeugte Polypeptidhormone sind an der kurzzeitigen Auslæsung von Appetit und Såttigung beteiligt. Das Peptidhormon Ghrelin wird in den Epithelzellen des Magens und Darms wåhrend des Fastens gebildet und erzeugt, wenn es in Versuchspersonen injiziert wird, Hungergefçhle. Der gefçllte Magen sendet das Signal nicht mehr aus. Nach getaner

4.11 Regelung der Nahrungsaufnahme

Verdauungsarbeit steigt der Ghrelingehalt des Blutes wieder an, sodass beim Menschen in der Regel drei Gipfel im Ghrelinspiegel des Blutes gemessen werden: vor dem Frçhstçck, vor dem Mittagessen und vor dem Abendessen. Abb. 11.13 verweist andererseits auch auf zwei im Verdauungstrakt produzierte Hormone (PYY, GLP-1), die Såttigungsgefçhl unterstçtzen. Einige Eigentçmlichkeiten des Regelungssystems gilt es jedoch in unserem Diåt- und Lernplan zu beachten. (1) Wie so viele andere Sinneszellen reagieren auch die Glucosesensoren vor allem auf Verånderungen des zu messenden Wertes, hier etwa auf einen fallenden Glucosespiegel. Das Bonbon und der Marsriegel werden bald verarbeitet sein und der dann wieder fallende Glucosespiegel

Zusammenfassung des Kapitels 4 Unsere Nahrung soll nicht nur unseren Energiebedarf decken, sondern muss eine Reihe essentieller Substanzen enthalten, die unser Kærper nicht selbst herstellen kann, darunter eine Reihe von Aminosåuren, ungesåttigten Fettsåuren und Vitaminen. Wasserlæsliche Vitamine sind zumeist Vorstufen von Coenzymen, welche die Ûbertragung von Elektronen oder Molekçl-Gruppen in basalen Stoffwechselprozessen vermitteln. Dies wird am Beispiel von Vitamin B1 (Thiamin) erlåutert, das eine katalytische Funktion beim Anschluss der Glykolyse an den Citratcyclus (Pyruvat ? AcetylCoA + CO2) wahrnimmt und bei Mangel Ursache einer tædlichen Polyneuritis ist. Fettlæsliche Vitamine wie Vitamin A, D und E sind in der Regel Vorstufen hormonartiger Signalsubstanzen. Vitamin A ist auch als Retinal fçr das Einfangen von Photonen beim Sehvorgang zuståndig. Die Tabellen 4.3 und 4.4 listen Vitamine auf und geben Auskunft çber Quellen. Es werden Argumente fçr vegetarische Ernåhrungsweise vorgetragen; es wird aber auch darauf hingewiesen, dass andererseits pflanzli-

wird neuen Appetit erzeugen (zum Wohl der Lebensmittelindustrie, nicht aber unseres Kærpers). (2) Die Blutglucosekonzentration ist kein Maû fçr den Fçllungszustand unserer Langzeitspeicher. Der Fettleibige verspçrt nicht minder Hunger als der asketisch Schlanke. (3) Fçr die Vorsorgeregelung in den biblischen 7 fetten und 7 mageren Jahren, und fçr das Anlegen oder Entleeren von Langzeit-Energiedepots sind Steuerungssysteme vonnæten, die çber das hier Besprochene weit hinausgehen. Wir werden dem Thema im Kapitel 11 (Hormone) wieder begegnen und verweisen jetzt nur auf die Stichworte Insulin und Leptin. Im folgenden Kapitel 5 geht es aber erst u.a. darum, was es denn mit dem Blutzucker so auf sich hat.

che Kost so manches unbekæmmliche Gift enthalten kann. Es wird auf den Zusammenhang zwischen Kærperbau (radiår versus bilateralsymmetrisch mit Cephalisation) und die Weise des Nahrungserwerbes hingewiesen. Nach einigen Ausfçhrungen zu den Arten des Nahrungserwerbs und zum Schluckvorgang, der eine gefahrlose Ûberkreuzung des Nahrungskanals mit dem Luftkanal ermæglichen soll, sowie çber propulsive peristaltische Kontraktionswellen entlang des Verdauungskanals, werden die Funktionen des Magens erlåutert: Zwischenspeicher, Sterilisierung, Denaturierung von Proteinen und Nukleinsåuren, Beginn der Proteinverdauung mittels Pepsin. Es wird die Salzsåureproduktion çber Protonenpumpen und Chloridkanåle der Fundusdrçsen, und es werden Mechanismen zum Schutz vor Selbstverdauung besprochen. Ein Schutzmechanismus besteht darin, dass viele Verdauungsenzyme in einer inaktiven Vorstufe (Pepsinogen, Trypsinogen, allgemein Zymogen) sezerniert und erst am Ort des Bedarfs durch Abspalten eines inhibitorischen Peptids aktiviert werden.

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4 Die Grundversorgung: Gehalt und Aufbereitung der Nahrung

Fçr die Spaltung polymerer Nahrungsbestandteile in ihre monomeren Bestandteile steht ein groûes Arsenal von Verdauungsenzymen zur Verfçgung. Die Bauchspeicheldrçse (das Pankreas) liefert Proteasen wie Trypsin und Chymotrypsin, Lipasen und Nukleasen. Sie liefert ferner Hydrogencarbonat zum Einstellen eines fçr diese Enzyme gçnstigen neutralen bis basischen pH. Weitere Enzyme liefern sich auflæsende Zellen an der Spitze der Darmvilli und schlieûlich bewåltigen Ektoenzyme, die an den Zellmembranen der Mikrovilli verankert sind, die letzte Spaltung der Oligosaccharide, Oligopeptide und Oligonukleotide. Mit den Ectoenzymen gekoppelte Carrier schleusen die freigesetzten Monosaccharide, Aminosåuren und Nukleotide sogleich in die Zellen des Dçnndarms, welche sie çber das Blut der Pfortader an die Leber weiterreichen. Besondere Vorsorge muss fçr die Bewåltigung der Lipide getroffen werden. Die Galle liefert (neben Biliverdin, einem grçnen Stoffwechselendprodukt des Håmoglobins) in Form der Gallensåuren Detergentien zur Emulgierung der wasserunlæslichen Fette. Diese Detergentien bilden mit Phospholipiden und Cholesterin aus den Zellmembranen der Nahrung und mit ersten Spaltprodukten der Fette Micellen. Micellen sind molekulare Aggregate, die in der resorbierenden Darmwand umgebaut werden und schlieûlich als Chylomikron-Aggrega-

te in Lymphgefåûen auftauchen. Ûber die Lymph- und Blutbahnen gelangen auch diese Nahrungsbestandteile in die Leber. Der Fortschritt des Verdauungsgeschåfts wird laufend von Sinnes-Nervenzellen çberwacht, die ihrerseits çber mancherlei ¹Gewebshormoneª wie Gastrin, Sekretin, CCK (cholecystokinine) und GIP (glucose-dependent insulin-releasing peptide) die Sekretion von HCl im Magen, von Gallenflçssigkeit und Pankreasprodukten regeln. Weiter befasst sich das Kapitel mit der Lactose-Intoleranz vieler erwachsener, besonders nicht-europåischer Menschen und mit der Rolle von Symbionten im Pansen der Wiederkåuer. Diese liefern Cellulase, und vergåren alsdann die aus der pflanzlichen Cellulose freigesetzte Glucose zu organischen Såuren. Der Wiederkåuer çbernimmt und verwertet sie weiter. Er stellt seinerseits den Symbionten mit Harnstoff eine N-Quelle zur Aminosåuresynthese zur Verfçgung. Ohne diese wechselseitige Hilfe wåre die Milch arm an Protein. Hunger und Såttigungsgefçhl werden von bestimmten Kerngebieten im Hypothalamus des Zwischenhirns erzeugt. Dort befinden sich Glucosesensoren, welche die Blutzuckerkonzentration messen und Verhaltensweisen zur kurzfristigen Regelung der Nahrungszufuhr einleiten.

5

Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

5.1 Die Leber als Versorgungs-, Handelsund Entsorgungszentrale des Kærpers 5.1.1 Arbeitsteilung hat den Vielzeller vorangebracht In der Evolution des Vielzellers ist es zu einer Aufgabenverteilung unter den verschiedenen Zellen, Geweben und Organen gekommen. Die einen besorgen das Geschåft der Verdauung, die anderen konzentrieren sich darauf, Information aus der Auûenwelt aufzunehmen und auszuwerten, wieder andere bringen den Organismus voran, indem sie als Muskeln seine Lokomotion bewerkstelligen. Diese Arbeitsteilung ermæglichte es den Zellen und Organen, ihre spezifischen Funktionen zu optimieren. Allerdings ging diese Spezialisierung auf Kosten der individuellen Vielseitigkeit. Eine Nervenzelle oder Muskelzelle kann keine feste Nahrung mehr erschlieûen. In diesem Konzert der Spezialisten hat die Leber eine bedeutende Rolle im Dienste des Ganzen çbernommen. Sie erfçllt stellvertretend fçr viele andere Zellen evolutiv alte Funktionen (z. B. Harnstoffsynthese) und hat sich darçber hinaus zur leistungsfåhigsten chemischen Fabrik entwickelt. Schon ein kurzer Blick auf den Blutkreislauf (Abb. 5.1) låsst deutlich werden, dass die Leber eine zentrale Funktion bei der Verarbeitung speziell der Nahrung çbernommen hat. Die Blutgefåûe, die vom Darm wegfçhren, werden alle zur Pfortader gebçndelt, und diese zieht zur Leber. Aus der Leber heraus fçhrt die Lebervene. Man kann unschwer erraten, dass zwischen Lebereingang und -ausgang etwas mit den Nåhrstoffen gesche-

Abb. 5.1. Kreislaufsystem des Såugers mit Einbindung der Leber

hen ist. Was geschehen ist, ist in Abb. 5.2 zusammenfassend dargestellt und wird im Einzelnen in den folgenden Abschnitten erlåutert.

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

a

b Abb. 5.2 a, b. Die Leber: Ûberblick çber ihre Stoffwechselleistungen. a Verarbeitung der Kohlenhydrate und Lipide; b Protein-Synthese und -Abbau, weitere Syntheseleistungen, exkretorische und Entgiftungsfunktionen

5.2 Erste Hauptfunktion der Leber ist die Bereitstellung des Blutzuckers

5.1.2 Ein erster Ûberblick låsst eine groûe Funktionsvielfalt erkennen Die Leber l

versorgt den Kærper mit Blutzucker (Traubenzucker, Glucose),

l

sie legt einen Vorrat fçr Blutzucker an (Glykogen) und

l

stellt bei Bedarf Blutzucker synthetisch her (Gluconeogenese),

l

sie beliefert den Kærper auch mit ¹Blutfettenª,

l

sie baut andererseits çber die b-Oxidation Fettsåuren ab und erzeugt aus ihnen das vielseitig nutzbare Acetyl-CoA,

l

sie produziert und liefert vielerlei ¹Blutproteineª,

l

sie entsorgt andererseits gealterte Proteine,

l

sie erzeugt die Galle mit den Gallensåuren und Gallenfarbstoffen,

l

sie hilft durch Harnstoffsynthese bei der Entsorgung des Stickstoffs,

l

sie ist in der Lage, viele toxische Substanzen zu entgiften,

l

sie produziert Wachstumsfaktoren und Hormone.

5.2 Erste Hauptfunktion der Leber ist die Bereitstellung des Blutzuckers 5.2.1 Manche Zellen, vor allem rote Blutkærperchen und Nervenzellen, kænnen zur Energiegewinnung nur noch Glucose verwerten Der Begriff ¹Blutzuckerª ist mit negativen Assoziationen belegt; denn man denkt an ¹Zuckerkrankheitª. Ein bestimmter, leidlich konstanter Blutzuckerspiegel ist jedoch keineswegs schåd-

lich, sondern ± ganz im Gegenteil ± absolut lebensnotwendig. Schnell reagierende Muskelzellen und vor allem die Erythrocyten (rote Blutkærperchen) sowie die Sinnes- und Nervenzellen sind so extrem auf ihre spezifischen Funktionen konzentriert, dass sie an anderer Stelle mit ihren Kråften sparsam umgehen mçssen. Sie verzichten darauf, die Vielfalt von Membran-Translokatoren und Enzymen bereitzuhalten, die nætig wåre, um vielfåltige Nahrung nutzen zu kænnen. Erythrocyten und Nervenzellen beschrånken sich auf die energetische Verwertung von Glucose. Die Enzyme der Glykolyse, des Citratcyclus und der Atmungskette gehæren ohnedies zur unverzichtbaren Grundausstattung der Zelle. Auf speziellere und aufwendigere Systeme wird nach Mæglichkeit verzichtet. Nun fållt jedoch Nahrung nicht kontinuierlich an, und nicht immer wird sie die nætige Menge an Glucose enthalten. Die Leber ist Zwischenlager. 5.2.2 Zwischenspeicher fçr Blutzucker in der Leber ist Glykogen Hat die Nahrung viel Stårke enthalten und liefert demgemåû die Pfortader viel Glucose, legt sich die Leber einen inneren Vorrat an. Um den osmotischen Wert in ihren Zellen in tragbaren Grenzen zu halten, wird die Glucose in Form eines osmotisch wenig wirksamen Makromolekçls deponiert. Es ist das Glykogen, die tierische Stårke. Im Bedarfsfall werden aus dem Glykogen-Polymer wieder Glucose-Monomere freigesetzt und ins Blut entlassen. 5.2.3 Gluconeogenese: Wenn es notwendig und ratsam ist, kann Glucose aus Lactat oder Aminosåuren synthetisch hergestellt werden Gluconeogenese heiût Neusynthese von Glucose. Ausgangsmaterialien zur synthetischen Glucoseproduktion sind Milchsåure (Lactat) und eine Reihe von Aminosåuren (die so genannten glucogenen, d. h. glucoseerzeugenden, Aminosåuren).

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

Aus Lactat, der Milchsåure, wieder Glucose zurçckzugewinnen, ist kein ernstes Problem. Natçrlich kostet das einige Energie und man mag sich fragen, was das çberhaupt soll. Zuerst aus Glucose durch Glykolyse Lactat gewinnen, dann aus Lactat wieder Glucose, das kann doch keinen Gewinn bringen. Die Geschichte hat auch nur Sinn im Wechselspiel von Muskel und Leber. Wenn der tåtige Muskel unter nahezu anaeroben Bedingungen nur noch zur Glykolyse fåhig ist, fållt viel Lactat an, mit dem der Muskel selbst nichts anfangen kann. Ûber den Blutkreislauf liefert der Muskel das Lactat bei der Leber ab, die es zur Gluconeogenese, zur Neu- oder Resynthese von Glucose, verwerten kann. Enthålt die Nahrung wenig Glucose aber viel Eiweiû, oder fallen bei irgendwelchen Entsorgungsarbeiten und Regenerationsprozessen çberschçssige Aminosåuren an, kann die Leber auch hieraus Glucose herstellen. Zur Gluconeogenese benutzt die Leberzelle çber weite Strecken die Glykolyse und teilweise sogar den Citratcyclus im Rçckwårtsfluss, soweit Massenwirkungsgesetz und thermodynamische Gleichgewichtslagen ein Rçckwårtstreiben der einzelnen Reaktionen erlauben. Das ist mæglich, wenn in einer chemischen Reaktion A + B ? C + D ein geringes chemisches Potential nicht die vollståndige Umwandlung der Ausgangsmaterialien A + B in die Produkte C + D erzwingt. Nahe der Gleichgewichtslage kann durch Zufçttern der Produkte C + D und Abfçhren der Materialien A + B die Reaktion auch rçckwårts von rechts nach links (statt vorwårts von links nach rechts) getrieben werden. Es gibt jedoch einige Probleme: l

l

Zuerst muss den Aminosåuren der Stickstoff entzogen werden. Das kann die Leber gut: ohnedies ist sie Spezialist bei der Stickstoffentsorgung (s. Kap. 5.8.3). Die verschiedenen Aminosåuren, bzw. die nach ihrer Desaminierung çbrig bleibenden a-Ketosåuren, mçssen, weil sie in ihrer Struktur unterschiedlich sind, an verschiedenen Stellen in die zentralen Stoffwechselwege eingespeist werden.

l

An einigen Stellen ist das Gefålle zu hoch und steil, als dass die Reaktion auf direktem Wege zurçck gefahren werden kænnte. Ist der Weg zu steil, legt man Serpentinen an. So macht dies auch die Leberzelle. Beispielsweise wird die extreme Steilstrecke vom Lactat zum Pyruvat und vom Pyruvat zu PEP dadurch umgangen, dass Umwege çber Malat und Oxalacetat genommen werden. Dabei werden Malat und Oxalacetat auch auûerhalb der Mitochondrien als Zwischenstufen eingeschoben (Abb. 5.3).

5.3 ¹Blutfetteª und andere Lipide 5.3.1 Auch in der Versorgung des Kærpers mit Fetten und anderen Lipiden, und bei deren Verwertung, hat die Leber eine Mittlerrolle Der Kærper benætigt Lipide in betråchtlichem Umfang, vor allem Phospholipide zur Neusynthese von Zellmembranen, aber auch Cholesterin zur Verstårkung und funktionellen Modifikation von Zellmembranen und als Ausgangssubstanz zur Synthese der Steroidhormone. Schlieûlich braucht unser Kærper auch Fette als langfristige Reserve von Energie. Im Menschen werden normalerweise l

50% der mit der Nahrung aufgenommenen Glucose bald verbrannt,

l

5% in Form von Glykogen und

l

30±45% in Form von Fett gespeichert.

Im Tierreich sind Zugvogel, Winterschlåfer und der Wal in arktischen Gewåssern essentiell auf Fettreserven angewiesen. 5.3.2 Man kann aus Kohlenhydraten Fette herstellen, leider aber nicht aus Fetten Blutzucker Fçttert man das Schwein mit Kartoffeln, d. h. Stårke, wird es mollig fett. Såugetiere, d. h. auch Menschen, kennen gut gangbare Wege von Glucose (und anderen Zuckern wie Fructose und Galacto-

5.3 ¹Blutfetteª und andere Lipide

Abb. 5.3. Gluconeogenese

se) zu Glycerin und Fettsåuren. Hieraus produziert man dann Tri-(drei)-acyl(Fettsåure)-Glycerine, auch Triglyceride genannt, auf Deutsch Neutralfette. Ausgangssubstanzen zur Glyceringewinnung finden wir mit Glycerin-Phosphat und GAP (Glycerin-Aldehyd-Phosphat) im Cytosol der Zel-

le als Zwischenmetabolite der Glykolyse. Fettsåuren lassen sich aus Acetyl-CoA herstellen. Zur Synthese von Fettsåuren wird der C2-Kærper Acetyl- erst (in Form von Citrat) çber Translokatoren aus den Mitochondrien ins Cytosol geschleust. Dort kettet ein måchtiger Multienzym-

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

komplex, die Fettsåure-Synthase, Zug um Zug C2-Einheiten zu Fettsåuren mit meistens 16, selten 20, C-Atomen zusammen. Diese werden mit Glycerinphosphat verestert. Zum Schluss besorgen Desaturasen die gelegentliche Einfçhrung von Doppelbindungen in die Fettsåureschwånze der Triglycerine. Das kænnen sie zwischen den Kohlenstoffatomen Nr. 9 und 10. Sind an anderen Positionen Doppelbindungen gefragt, mçssen die essentiellen Fettsåuren der Nahrung einspringen. Leider verstehen es die Zellen der Såuger nicht, aus Fetten wieder Glucose herzustellen. Der Grund hierfçr liegt im Automatismus des Citratcyclus. Beim Abbau der Fettsåuren liefert die b-Oxidation wieder Acetyl-CoA, das, wie gewohnt, beim Einschleusen in den Citratcyclus an Oxalacetat angekoppelt wird. Ist dies geschehen, so werden schon bei den nåchsten zwei Verarbeitungsschritten, vom Isocitrat zu a-Ketoglutarat und vom a-Ketoglutarat zum Succinyl-CoA, zwei Kohlenstoffatome in Form von CO2 aus dem Citratcyclus herausgeworfen. Zwei Kohlenstoffatome in Form von Acetyl-CoA in den Citratcyclus hineingesteckt, gleich darauf zwei in Form von CO2 verloren: es bleibt kein Nettogewinn. Pflanzen sind da geschickter. Sie haben im Glyoxylat-Cyclus einen Weg gefunden, a-Ketoglutarat zu umgehen und aus zwei Acetyl-CoA den C4-Kærper Succinat herzustellen. Der kann dann auf den Gluconeogenese-Weg geschickt werden. Das nutzen keimende Samen aus, um ihre Speicheræle zur Herstellung von Zuckern heranzuziehen (s. Lehrbçcher der Botanik oder Biochemie, z. B. Stryer 1999).

Die Erythrocyten und Nervenzellen kænnen auch im fettleibigen Individuum verhungern, wenn der Blutzuckerspiegel zu gering ist. Zwar kann Acetessigsåure, die im tierischen Organismus aus Fettsåuren hergestellt werden kann, den schlimmsten Hunger der Nervenzellen stillen; doch mit dieser Notkost kænnen sie sich leicht vergiften. Dazu mehr nachfolgend in Kap. 5.4.2.

5.3.3 ¹Blutfetteª stammen aus der Leber und kehren zu ihr zurçck. Nach gångiger Meinung von Medizinern soll es ¹guteª und ¹bæseª geben Die Leber stellt Fette und andere Lipide zum wenigsten fçr den Eigenbedarf her. Sie verpackt Triglycerine mit Phospholipiden, Cholesterin und Proteinen zu supramolekularen Aggregaten, den so genannten Lipoproteinen oder ¹Blutfettenª. In ihrer Struktur gleichen diese Aggregate den Chylomikronen, die in den Darmzellen aus resorbierten Lipiden hergestellt und çber Lymphbahnen ins Blut gespeist worden sind. Abnehmer der Triacylglyceride sind besonders die Adipocyten (Fettzellen) der Fettdepots, Abnehmer der Phospholipide und des Cholesterins alle mæglichen Zellen, die wachsen und sich teilen. Zur Herstellung neuer Zellmembranen kænnen sie Phospholipide und Cholesterin gut gebrauchen. Wenn andererseits Zellen zugrunde gehen oder den programmierten Zelltod ablaufen lassen, ist es zweckmåûig, die freiwerdenden Lipide zu recyclen. Freigesetzte Lipide werden in die im Blutstrom zirkulierenden Aggregate der ¹Blutfetteª integriert und im Kreislauf an potentielle Abnehmer verteilt. Was çbrig bleibt, çbernimmt zur weiteren Verwertung die Leber. Da nun den Blutfetten auf dem Weg durch den Kærper Komponenten entzogen, andere zugefçhrt werden, åndert sich ihre Zusammensetzung laufend. Man ist in der Forschung bemçht, den Weg der einzelnen Komponenten zu verfolgen. Dazu kann man Komponenten, beispielsweise Cholesterin, mit 14C markieren. Im Bestreben, die komplexen Aggregate zu analysieren und zu klassifizieren, werden sie in der Zentrifuge gemåû ihrer Dichte getrennt. Kriterium fçr die Klassifizierung ist die Geschwindigkeit, mit der die im Blutplasma flottierenden Lipidtræpfchen zur Oberflåche steigen (¹aufrahmenª). Entsprechend werden die Blutlipide eingeteilt. Sie unterscheiden sich im relativen Gehalt von Triglycerinen, Cholesterin und Protein.

5.3 ¹Blutfetteª und andere Lipide Abb. 5.4. ¹Blutfetteª. Struktur und Wege der Lipoproteine

l

VLDL = very low density lipoproteins; sie sind reich an Neutralfetten und arm an Cholesterin und Protein;

l

LDL = low density lipoproteins; sie sind reich an Cholesterin und Protein und arm an Neutralfetten;

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HDL = high density lipoproteins; sie nehmen eine Mittelposition ein.

Nach gångigen Modellvorstellungen tragen die leichten Aggregate VLDL und LDL Triglyceride und Cholesterin von der Leber zu den Abnehmern, wåhrend die schweren HDL Abbauproduk-

te einschlieûlich Cholesterin zur Leber hinschleppen sollen (Abb. 5.4). Auf dieser Modellvorstellung beruht der Glaube an ¹guteª und ¹bæseª Blutfette. Cholesterin steht in dem Ruf, entscheidend mitverantwortlich zu sein fçr die ¹Verkalkungª der Blutgefåûe im Alter (s. Kap. 5.6.2). Mediziner und Ernåhrungsfachleute meinen, die leichten Blutfette VLDL und LDL trçgen hier eine Hauptschuld, wåhrend die schweren, cholesterinreichen HDL eher die Mçllabfuhr repråsentierten und daher ¹gutª seien; denn sie sollen das bæse Cholesterin von den Blutgefåûen wegfçhren.

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

5.4 Regelung der Abgabe und Aufnahme von Blutzucker und Blutfetten çber die Hormone Insulin und Glucagon 5.4.1 Blutzuckersenkung ist nicht die eigentliche Funktion von Insulin; Insulin-Signale stimulieren das Einschleusen von Glucose und Fettsåuren in energiespeichernde Zellen Ein langfristig zu hoher Glucose-Gehalt des Blutes kann zu vielerlei Schåden fçhren, wenn auch die Syndrome einer Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus) in ihrer Mehrzahl nur indirekte Folge der hohen Glucoselast sind. Ohne zwischen Primår- und Sekundårschåden unterscheiden zu wollen, seien genannt: Verengung von Blutgefåûen verbunden mit verringerter Durchlåssigkeit, Geschwçre an mechanisch stark belasteten Stellen (diabetisches Fuûsyndrom), Muskelschwåche, Kråmpfe, Bewusstseinsstærungen. Die Vermeidung solcher Schåden ist indes nicht die primåre Aufgabe des Systems der Blutzuckerregelung, das mit den Hor-

monen Insulin und Glucagon als korrigierende Signale arbeitet (s. unten). Wie kommt Glucose in Zellen? Zuståndig sind Transportproteine, die spezifisch die Passage von Glucose durch eine Zellmembran vermitteln (Abb. 5.5 a). Die treibende Kraft ist ein Gradient des Diffusionsdruckes; es handelt sich also um erleichterte Diffusion (facilitated diffusion), auch wenn die Bezeichnung der Proteine als Glucosetransporter GLUT an aktiven Transport denken låsst. Es gibt mehrere Subtypen von GLUT. Die Ausstattung der verschiedenen Zellen des Kærpers mit unterschiedlichen GLUT-Subtypen låsst eine Strategie in der Zuteilung des Grundnahrungsmittels Glucose erkennen: l

Zellen, die, wie Nervenzellen, Glucose als Treibstoff zur augenblicklichen Verwertung beziehen und nur kleine eigene Speicher zum Abpuffern eines Spitzenbedarfs haben, sind mit GLUT-1-Transportern ausgerçstet. Sie unterliegen nicht der zentralen Steuerung durch Insulin und Glucagon (Abb. 5.5 a).

Abb. 5.5. Insulin und Glucagon. Steuerung der Energieflçsse, die von Glucose und Fettsåuren getragen werden

5.4 Regelung der Abgabe und Aufnahme von Blutzucker und Blutfetten çber die Hormone Insulin und Glucagon

Abb. 5.5 c l

Hingegen gibt es Zellen, die Glucose benutzen, um einen intrazellulåren Energiespeicher mit groûem Fassungsvermægen zu fçllen (Abb. 5.5 b). Solche Speicherzellen sind Hepatocyten (Leberzellen) und mehr noch die Adipocyten (Fettzellen). Der Glucoseeinstrom in diese Zellen geschieht çber GLUT-4-Transporter. Sie un-

terliegen der Steuerung durch Hormone. Auf deren Befehl werden Energietråger in Langzeitspeicher çberfçhrt und aus diesen wieder zugunsten bedçrftiger Verbraucher in die Blutbahn entlassen. In Muskelzellen, die mit GLUT-1 und GLUT-4 ausgerçstet sind, dient der intrazellulåre Vorrat dem Eigenbedarf.

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

!

Hauptfunktion der Hormone, die den Blutzuckerspiegel regeln, ist die Lenkung von Energieflçssen in und aus den Energiespeichern: Das episodische Ûberangebot nach der Nahrungsaufnahme und die wechselnde Nachfrage der Verbraucher werden çber geregelte Vorratswirtschaft abgepuffert.

Sowohl Blutzucker als auch die Triacylglycerine der Blutfette dienen der Ernåhrung anderer Kærperzellen. Es ist daher sinnvoll, wenn ihre Produktion und Abgabe gemeinsam geregelt wird. Wichtige Regulatoren sind die Hormone, die von den Inselorganen der Bauchspeicheldrçse (Langerhans'sche Inseln) erzeugt und ausgesandt werden: Insulin und Glucagon. Die Regelzentren sind in der Hypothalamusregion des Gehirns und in der Bauchspeicheldrçse selbst lokalisiert (Abb. 5.5 c). Hier wird gemessen, wieviel Nahrung in Form von Glucose und Fettsåuren das Blut momentan enthålt. Fållt der Kærper in Arbeitswut und wird viel von dieser Nahrung beansprucht, so sinkt die Konzentration der Glucose und der Fettsåuren im Blut. Hat man hingegen eine reichliche Mahlzeit eben gut verdaut, kænnen Glucoseund Fettsåure-Konzentration im Blut so hoch sein, dass es sinnvoll ist, die Speicher zu beladen. l

Glucagon, von den a-Zellen (A-Zellen) der Inselorgane ausgesandt, alarmiert Leber- und Fettzellen, Nahrung in Form von Glucose oder Fettsåuren herzugeben. Wird das Signal befolgt, steigt die abgesunkene Konzentration an Glucose und Fettsåuren im Blut wieder an. (In Zeiten besonderer Anforderungen durch Stress wird Glucagon durch Adrenalin unterstçtzt; s. Kap. 11).

l

Insulin, von den b-Zellen (B-Zellen) der Inselorgane ausgesandt, sagt hingegen den Leber-, Muskel- und Fettzellen, dass sie dem Blut çberschçssige Nahrung entziehen sollen, um sie als Glykogen oder Fett intrazellulår zu speichern. Wird der Befehl befolgt, werden in den Zielzellen die vorhandenen GLUT-4-Transporter in Funktion gehalten (noch ungewiss) und

es werden auf jeden Fall aus einem intrazellulåren Vorrat rasch zusåtzliche GLUT-4-Transporter in die Zellmembran eingebaut (Abb. 5.5 b; detaillierter in Abb. 12.5). In den Leber- und Muskelzellen wird Glucose in die Speicherform des Glykogens çberfçhrt. In den Fettzellen wird die Glucose, wie oben (5.3.1) beschrieben, zur Herstellung von Neutralfetten benutzt. Gleichzeitig wird die Freisetzung von Fettsåuren aus den Fettzellen gehemmt. Als Folge dieser konzertierten Aktion sinken die Konzentration von Glucose und Fettsåuren im Blut wieder ab. Es kommt, dies sei nochmals betont, in diesem Regelgeschehen (Abb. 5.5 c) einerseits darauf an, dem Blut das allzeit Nætige an Nahrung beizumischen, andererseits, wenn immer mæglich, Ûberschçssiges dem Blut zu entziehen und Vorråte fçr Zeiten gesteigerten Bedarfs und der Hungersnot anzulegen. Dies ist die Hauptfunktion der Hormone Glucagon und Insulin. Ein Regelgeschehen verlangt, dass der momentan herrschende Istwert ± hier die Blutglucosekonzentration ± laufend gemessen wird, damit der Istwert unverzçglich nachkorrigiert und dem Sollwert angeglichen werden kann (s. Abb. 10.1, Regelkreis). Der Sensor der b-Zellen ist bekannt: Es ist der Glucosetransporter GLUT-2 der Insulin-produzierenden b-Zellen selbst, an dem ein Enzym (Glucokinase) angekoppelt ist und in dieser Form zum Sensor des extrazellulåren Glucosespiegels wird. Der Transporter låsst Glucose in die Zelle einstræmen, die Glucosekinase setzt bei einer çberschwelligen intrazellulåren Glucosekonzentration eine Kaskade von Reaktionen in Gang, die zur Sekretion von Insulin fçhrt. Das sezernierte Insulin, und entsprechend auch Glucagon, erreichen die Zielzellen, das sind Leberzellen, Fettzellen, Muskelzellen und Nervenzellen, çber den Blutkreislauf. Wie die hormonalen Signale von den Zielzellen empfangen und beantwortet werden, diskutieren wir im Kapitel 12 (Signaltransduktion).

5.4 Regelung der Abgabe und Aufnahme von Blutzucker und Blutfetten çber die Hormone Insulin und Glucagon Abb. 5.6. Ketonkærper, wie sie bei çberreichem Angebot an Fettsåuren entstehen

5.4.2 Beim Diabetes mellitus, der Blutzuckerkrankheit, entgleist auch der Fettstoffwechsel lebensgefåhrlich Diabetes mellitus heiût der ¹sçûeª (mellitus) Durchlauf (diabetes). Der medizinische Fachausdruck leitet sich vom diagnostischen Symptom ab: Glucose låuft durch die Nieren und erscheint im Harn. Dies kann auf einer Funktionsstærung der Niere (Niereninsuffizienz) beruhen, ist aber håufig bloû Ausdruck dafçr, dass das Blut mit Glucose çberladen ist und die Pumpen der Niere, die Glucose aus dem Primårharn zurçck ins Blut holen (s. Kap. 6), çberlastet sind. Schaden tut Traubenzucker im Harn nicht. Hingegen hat eine langfristige Glucose-Ûberlast im Blut eine Reihe von Spåtschåden zur Folge, die als Diabetes-Syndrom zusammengefasst werden. In 5.4.1 werden einige dieser Spåtschåden genannt.

Ursachen des Diabetes kann mangelnde Produktion von Insulin sein oder mangelnde Ansprechbarkeit der Zielzellen auf das Hormon (s. Kap. 11, Hormone). Hier wird auf ein Symptom des Diabetes hingewiesen, bei dem Funktionen der Leber entgleisen. Bei Insulinmangel, oder bei mangelnder Reaktionsfåhigkeit der Zielzellen, wird zu wenig Glucose in die Leber- und Muskelzellen gepumpt, auch wenn das Blut viel anbietet. Die Zellen drohen zu verhungern. Fettsåuren hingegen kænnen sie durchaus noch aufnehmen. Fçr die Aufnahme von Fettsåuren werden keine Translokatoren benætigt; denn Fettsåuren gehæren zu jenen wenigen Molekçlen, die ohne Hilfe Membranen durchqueren kænnen. Bei Diabetes bietet das Blut besonders viel Fettsåuren an, weil die Fettzellen viel Fettsåuren freisetzen, wenn ihnen dies nicht durch Insulinsignale verboten wird und Hormone das Sagen haben, die zur Herausgabe gespeicher-

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

ter Energiequellen auffordern, wie Glucagon und Adrenalin (s. Kap. 11). Das Ûberangebot an Fettsåuren fçhrt jedoch dazu, dass sie in der Leber nicht vollståndig zu CO2 und H2O katabolisiert werden kænnen. Es treten so genannte Ketonkærper auf: Aus AcetylCoA entstehen Acetessigsåure, Aceton und b-Hydroxybuttersåure (Abb. 5.6). Der Arzt, der eine gute Nase hat, riecht den Diabetes. Die Ketonkærper, allen voran Aceton, riechen wie Nagellackentferner. Und sie sind in hæherer Konzentration Nervengifte. Der Kærper des Diabetikers vergiftet sich selbst.

5.5 Blutproteine und Hormone als Produkte der Leber 5.5.1 Fast alle quantitativ ins Gewicht fallenden Proteine, die man frei gelæst im Blut findet, stammen von der Leber, mit Ausnahme der Antikærper Von der Leber stammen: l

die Lipoproteine der VLDL, LDL und HDL-Lipidaggregate;

l

die Albumine, die mit einer Reihe lipophiler Substanzen wie Vitamin A Aggregate bilden und so den Transport solcher Substanzen im Blutwasser ermæglichen;

l

Fibrinogen, der Grundstoff des Dichtungsmaterials, das im Zuge der Blutgerinnung (s. Kap. 9, Kreislauf) zum Abdichten von Blutgefåûen hergestellt wird;

l

sowie die zum Blutgerinnungssystem gehærenden Enzyme;

l

desgleichen die Komponenten des Komplementsystems, das bei manchen immunologischen Abwehrreaktionen zum Einsatz kommt (s. Kap. 7, Immunologie);

l

Vitellogenine, das sind Proteine, die in die wachsenden Eizellen des Ovars eingespeist

werden, und die man entsprechend nur im weiblichen Organismus findet. 5.5.2 Die Leber produziert auch Hormone: Somatomedine (IGF) und Steroid-Vorlåufer Unter den Proteinen, die die Leber in das Blut entlåsst, befinden sich auch Hormone. Angeregt durch das Somatotropin, dem Wachstumshormon der Hypophyse, erzeugt die Leber Somatomedine, die das Wachstumshormon unterstçtzen und im jugendlichen Kærper das Långenwachstum der Knochen færdern. Somatomedine heiûen auch insulinåhnliche Wachstumsfaktoren (IGF; s. Kap. 11, Hormone).

5.6 Cholesterin, seine Abkæmmlinge und der enterohepatische Kreislauf 5.6.1 Cholesterin ist nicht nur Schreckgespenst fçr ¹Cholesterinbewussteª, sondern Bestandteil der Zellmembran und Rohmaterial fçr die Synthese von Gallensåuren und Steroidhormonen Cholesterin ist in Verruf geraten. Insbesondere populårmedizinische Artikel in bunten Zeitschriften vermitteln oft eine einseitig negative Bewertung. Cholesterin ist regulårer Bestandteil animaler Zellmembranen. Græûere Mengen sind im Eidotter enthalten. Pflanzliche Produkte kænnen durchaus åhnliche Steroide enthalten, doch wird dem Vegetarier versichert, dass diese unschådlich seien. Cholesterin wird als Komponente der tierischen Zellmembran und als Vorlåufersubstanz anderer Steroide wie Gallensåuren und Steroidhormonen gebraucht (Abb. 5.7), ist aber kein essentieller Nahrungsbestandteil. Im Bedarfsfall kann die Leberzelle Cholesterin aus vielen Acetyl-CoAC2-Einheiten herstellen. Gånzlich cholesterinfrei kann man nicht leben.

5.6 Cholesterin, seine Abkæmmlinge und der enterohepatische Kreislauf

Abb. 5.7. P450-vermittelte Oxidationen. Funktionen der Leber und ihrer Enzymfamilie Cytochrom P450 bei Herstellung von Steroiden und Gallensåuren aus Cholesterin und bei der Entgiftung phenolischer Substanzen

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

Das Cholesterin, das unsere Leber anderen Zellen des Kærpers zur Verfçgung stellt, soll çberwiegend in den VLDL- und LDL-Aggregaten verpackt sein. Hingegen sollen die besonders Cholesterinreichen HDL die Entsorgung des Kærpers von Cholesterin bewerkstelligen oder doch færdern. 5.6.2 Cholesterin kann die ¹Verkalkungª der Blutgefåûe færdern Warum ist Cholesterin in Verruf gekommen? Wenn çberschçssiges, cholesterinbeladenes LDL im Blut schwimmt, werden die LDL-Træpfchen von Endothelzellen in den Zwischenraum zwischen Endothel und der Muskelschicht, welche die Arterien umhçllt, verfrachtet. Das LDL wird dort chemisch veråndert und abgelagert. Es wird nun vom Immunsystem als Fremdkærper betrachtet. T-Lymphocyten und Makrophagen, die sich im Blut aufhalten oder an den Innenwånden der Blutgefåûe haften, dringen in den Zwischenraum ein. Die gefråûigen Makrophagen verschlingen Unmengen des modifizierten LDL, bis sie als Schaumzellen an Ûberfressung sterben. Dabei wird das wasserunlæsliche Cholesterin frei. Es aggregiert mit Kollagenfibrillen, die von der Muskelschicht erzeugt werden. In diese Aggregate, man nennt sie Plaques, lagern sich Kalkkristalle ab. Es kommt in der Tat zur Verkalkung der Gefåûe = Atherosklerose und als Folge davon zu einer Verengung der Arterien = Arteriosklerose (Abb. 5.8). Doch diese Verengung ist selten so schlimm, dass der Blutstrom zum Rinnsal wird. Gefåhrlich wird es, wenn ein Plaque aufplatzt. Das Aufplatzen wirkt wie eine Verletzung und aktiviert das Blutgerinnungssystem (s. Kap. 9.6): Es entsteht ein Propf, der nun den Blutstrom ganz zum Versiegen bringen kann. Warum der eine an Verkalkung zu leiden hat, ein anderer aber verschont bleibt, ist eine Frage, çber die Mediziner viel diskutieren. Neuerdings ist die Hypothese in die Diskussion gebracht worden, åhnlich wie bei Magengeschwçren kænne eine bakterielle Infektion primåre Ursache sein. Wie dem auch sei, eine Arteriosklerose stært die

Abb. 5.8. Arteriosklerose und Atherosklerose

Blutversorgung, beispielsweise des Gehirns oder des Herzens. Es kann zu Schlaganfall (Cerebralthrombose, stroke) oder Herzinfarkt (Myocardinfarkt, heart attack) kommen. 5.6.3 Aus Cholesterin stellt die Leber Steroide und Gallensåuren her Cholesterin ist wasserunlæslich. Gallensåuren, die im Zwælffingerdarm zum Emulgieren von Fetten benætigt werden, und Steroide, die als Hormone im Kreislauf zirkulieren sollen, dçrfen nicht so extrem wasserscheu sein. Um Cholesterin in Gallensåuren oder Vorlåufer von Steroidhormonen umzuwandeln, hångt die Leberzelle an das Sterangerçst des Cholesterins OH- (Hydroxyl-) Gruppen (Abb. 5.7) und verleiht ihnen so das gewçnschte Ausmaû an gemåûigter Wasserliebe. Zum Einfçhren von Sauerstofffunktionen kann die Leberzelle O2, also molekularen Sauerstoff, heranziehen. Sie macht ihn verfçgbar mittels eines besonderen Cytochroms in ihren Mitochondrien, einem Vertreter der Cytochrom-P450-Familie.

5.7 Exkretorische und Entgiftungsfunktionen der Leber

5.6.4 Im enterohepatischen Kreislauf gelangen Gallensåuren und andere Produkte des Kærpers in den Darm und zur Leber zurçck

5.7.1 Die Leber entsorgt çberschçssiges Cholesterin als Gallensalz und çberschçssigen Blutfarbstoff als Gallenfarbstoffe

Gallensåuren werden in der Gallenblasenflçssigkeit gespeichert. Wenn das von Darmzellen erzeugte hormonelle Signal Cholecystokinin Bedarf anmeldet (s. Abb. 4.12), wird die Gallenblasenflçssigkeit in den Darm entleert. Ûber Emulgate, Micellen und Chylomikronen gelangen die Gallensåuren teilweise in die Leber zurçck. Man spricht von enterohepatischem Kreislauf (griech.: enteron = Darm, hepatos = Leber). In diesen Kreislauf sind teilweise auch Steroide und der rote Blutfarbstoff einbezogen. Dies wird im nåchsten Abschnitt nåher erlåutert.

Gallensåuren werden, wenn sie çber die Gallenflçssigkeit in den Darm gelangen, im enterohepatischen Kreislauf nicht vollståndig in die Leber zurçckgefçhrt. Was nicht zurçckgeholt wird, ist faktisch ausgeschiedenes Cholesterin. Bei diesem Ausscheidungsprozess kann es vorkommen, dass die Ûberfçhrung von Cholesterin in læsliche Gallensalze nicht vollståndig ist. Dann bilden sich in der Gallenflçssigkeit aus nicht oder unzulånglich oxidiertem Cholesterin Gallensteine, die den Gallengang versperren kænnen. Steroidhormone werden in der Leber inaktiviert und ausscheidungsfåhig gemacht, indem sie mittels Cytochrom P450 noch mehr mit OHGruppen beladen und so stårker wasserlæslich gemacht werden. Nun hat die Niere leichtes Spiel. Gallenfarbstoffe leiten sich vom roten Blutfarbstoff, dem Håmoglobin, ab (Abb. 5.9). Erythrocyten, die roten Blutkærperchen, sind kurzlebig. Pro Sekunde werden in der Milz 6 Millionen gealterte Erythrocyten abgefangen und von Zellen des Immunsystems, den Makrophagen, verspeist. Diese werden mit dem Verdauen allein nicht fertig. Vom Håmoglobin spalten die Makrophagen das

5.7 Exkretorische und Entgiftungsfunktionen der Leber Unter dem Titel ¹Exkretionsorganeª wird gemeinhin die Leber nur am Rande oder gar nicht vermerkt. Zu Unrecht. Bei der Harnstoffsynthese bereitet die Leber die Ausscheidung çberschçssigen Stickstoffs durch die Niere vor; bei der Entsorgung çberschçssigen Cholesterins und gealterten Håmoglobins hat sie direkt exkretorische Funktion.

Abb. 5.9. Gallenfarbstoffe als Abbauprodukte des Håms (Tetrapyrrolring) aus dem Håmoglobin

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung Abb. 5.10. Harnstoffcyclus und weitere Funktionen der Leber bei der Entsorgung des Stickstoffs

5.7 Exkretorische und Entgiftungsfunktionen der Leber

ringfærmige Håm ab und sprengen die Ringstruktur. Das entstehende offenkettige Tetrapyrrol heiût wegen seiner grçnlichen Farbe Biliverdin. Es wird von den Makrophagen noch zum rætlichen Bilirubin (Abb. 5.9) modifiziert und dann ins Blut entlassen. Dort bindet das lipophile Bilirubin an Albumin, wird von Leberzellen aufgefangen und durch Anhången eines Zuckerderivates (Glucuronsåure) wasserlæslich gemacht. Wenn der so entstandene Gallenfarbstoff mit der Gallenflçssigkeit in den Darm gelangt, wird ein Teil in Micellen integriert und wie die Gallensåuren im enterohepatischen Kreislauf in den Blutkreislauf zurçckgefçhrt. Der græûere Teil wird bakteriell anaerob weiterverarbeitet und mit dem Stuhl ausgeschieden. Es sind die Abbauprodukte des roten Blutfarbstoffs, die den Hinterlassenschaften des Toilettengangs ihre bråunlich-grçnliche Farbe verleihen. 5.7.2 Muskelzellen und sonstige Kærperzellen çbergeben der Leber ihren Stickstoff in Form der Aminosåuren Alanin und Glutamin Wenn eine Zelle çberschçssige Aminosåuren zur Energiegewinnung heranziehen will, muss sie den Aminosåuren erst den Stickstoff entziehen. Der Mensch, und ebenso die Mehrzahl der vielzelligen Tiere, ist nicht in der Lage, Stickstoff als Stickstoffgas N2 freizusetzen. Mensch und landlebende Tiere vermeiden auch aus Grçnden, die wir noch zu diskutieren haben (s. Kap. 6, Niere), die Freisetzung des Stickstoffs in Form des potentiell giftigen Ammoniaks (NH3). Eine Muskelzelle çbertrågt vielmehr die Aminogruppe -NH2, die sie loswerden will, auf dem Weg einer oxidativen Transaminierung auf Pyruvat, das dabei zur Aminosåure Alanin wird (Abb. 5.10), Alanin kann ohne Probleme çber die Blutbahn der Leber çberantwortet werden. Weiterhin haben die Kærperzellen die Mæglichkeit, die Aminogruppe auf a-Ketoglutarat zu çbertragen. Es entsteht Glutamat, das unter Aufnahme eines Ammonium-Ions NH+4 zum Glutamin wird. Glutamin ist wie Alanin gut vertråglich

und wird ins Blut abgegeben. Mit Glutamin befasst sich dann die Niere (s. Abb. 6.2). 5.7.3 Die Leberzelle çberfçhrt den Stickstoff in Harnstoff, der gut vertråglich ist und leicht von der Niere ausgeschieden werden kann Die Leberzelle verwandelt Alanin, das sie den anderen Kærperzellen abgenommen hat, wieder zurçck in Pyruvat. Pyruvat kann vielfåltig verwertet werden, z. B. zur ATP-Gewinnung im oxidativen Stoffwechsel oder çber Acetyl-CoA zur Fettsåuresynthese. Bei der Pyruvat-Rçckgewinnung aus Alanin wird die Aminogruppe abgefangen und mit CO2 sowie einer weiteren Aminogruppe, die der Aminosåure Asparaginsåure entnommen wird, zu Harnstoff (Urea) kondensiert. Der gesamte Stoffwechselweg, der teils im Cytosol teils in den Mitochondrien ablåuft, ist im Lehrbuch der Biochemie unter den Bezeichnungen Harnstoffcyclus oder Ornithincyclus beschrieben und in Abb. 5.10 vereinfacht dargestellt. Eine Eselsbrçcke fçr den Anfånger: Der Citratcyclus beginnt mit Oxalacetat + Acetyl-CoA ? Citrat; der Harnstoffcyclus mit Ornithin + Carbamoyl-Phosphat ? Citrullin.

Bei der Harnstoffsynthese wird erneut die Strategie der Arbeitsteilung deutlich. Ursprçnglich dçrfte das enzymatische Rçstzeug zur Herstellung von Harnstoff zur Grundausstattung jeder Wirbeltierzelle gehært haben. Dann hat jedoch mehr und mehr die Leber stellvertretend fçr die çbrigen Kærperzellen diese Aufgabe çbernommen. Im Såuger kann aber auûer der Leber auch die Niere noch im gewissen Umfang Harnstoff synthetisieren. In jedem Fall çbernimmt die Niere die Ausscheidung.

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5 Die Leber und die zentrale interne Grundversorgung

5.7.4 Viele Entgiftungsfunktionen beruhen auf dem Cytochrom P450, mittels dessen unliebsame Substanzen oxidiert und damit wasserlæslich und ausscheidbar gemacht werden Wenn die Leberzelle Medikamente und allerlei unliebsame Fremdsubstanzen entgiftet, tut sie dies meistens nach dem gleichen Verfahren, nach dem sie aus dem unlæslichen Cholesterin die besser læslichen Gallensåuren und Steroide herstellt. ¹Giftigeª niedermolekulare Substanzen sind oftmals u. a. deswegen schådlich, weil sie lipidlæslich sind und sich in Zellmembranen sowie in die Myelinscheiden der Nervenfasern einnisten, wo sie Funktionsstærungen verursachen kænnen. Beispielsweise beruht die Toxizitåt vieler Insektizide wie DDT u. a. auf diesem Effekt. Die Leberzelle fçhrt vermittels Cytochrom P450 Sauerstoffatome in die Substanzen ein und macht sie damit wasserlæslich (Abb. 5.10). Cytochrom P450 besteht aus einer Familie von Proteinen, die mit einer Håm-Gruppe versehen sind (åhnlich dem Håmoglobin) und deren Mitglieder verschiedenen spe-

Zusammenfassung des Kapitels 5 Die episodisch aufgenommenen Nahrungssubstanzen werden çber den Pfortaderkreislauf der Leber zugeleitet, wo sie zwischengespeichert oder als Grundbausteine zur Synthese vielfåltiger anderer Substanzen verwendet werden. Die Leberzellen (Hepatocyten) erfçllen so eine Stellvertreterfunktion, indem sie andere Kærperzellen von der Notwendigkeit befreit, selbst vielerlei Substanzen herstellen zu mçssen. Die Leber l

versorgt den Kærper mit Blutzucker (Traubenzucker, Glucose) als basalem Grundnahrungsmittel und legt in Form des Glucosepolymers Glykogen einen Vorrat fçr Blutzucker an.

ziellen Zwecken dienen. Unter funktionellen Gesichtspunkten ordnet man sie auch in die Gruppe der Monooxygenasen ein. Mehr oder minder gute Wasserlæslichkeit allein garantiert keineswegs schon eine Entgiftung. Den Rest besorgt die Niere: Sie scheidet per Filtration ziemlich wahllos niedermolekulare, wasserlæsliche Substanzen aus. 5.7.5 Biotransformation von Fremdsubstanzen mittels Monooxygenasen kann leider auch zu krebserzeugenden Produkten fçhren Beispiel Aflatoxin, ein Produkt von Schimmelpilzen, das Symptome einer schweren Nahrungsmittelvergiftung hervorrufen kann. Das Einfçhren einer Sauerstofffunktion fçhrt zu einem Epoxid (Abb. 5.7), das mit der DNA der Zelle Addukte bilden kann. Das kann ein erster und entscheidender Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Leberkrebs sein. Erst wenn die Epoxidgruppe zur Hydroxylgruppe reduziert ist und das hydrophile Glutathion (2 Aminosåuren) an das Aflatoxingerçst angehångt ist, kann die Substanz zur Entsorgung der Niere çberantwortet werden.

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Sie stellt bei Bedarf Blutzucker synthetisch her (Gluconeogenese). Ausgangsmaterial hierfçr sind Lactat und ¹glucogeneª Aminosåuren.

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Die Leber liefert vielerlei ¹Blutproteineª wie Albumin, Fibrinogen, das Monomer des als Dichtungsmaterial fçr Blutgefåûe dienenden Polymers Fibrin, weiterhin Komplementfaktoren, die bei Immunreaktionen eine Rolle spielen, und Vitellogenin, eine Dottervorstufe fçr Eizellen.

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Die Leber entsorgt andererseits gealterte Proteine und bereitet durch Harnstoffsynthese die Entsorgung des Stickstoffs durch die Niere vor.

5.7 Exkretorische und Entgiftungsfunktionen der Leber

l

Sie beliefert den Kærper auch mit ¹Blutfettenª, die als Protein-Lipidaggregate VLDL (very low density lipoprotein), LDL und HDL (high density lipoprotein) im Blutkreislauf zirkulieren und dabei auch Cholesterin mitschleppen. Zu hohe Cholesterinlast der VLDL gilt als ein Hauptrisikofaktor fçr Atherosklerose (Gefåûverkalkung) und damit von Arteriosklerose (Gefåûverengung).

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Die Leber baut andererseits çber die b-Oxidation Fettsåuren zum vielseitig nutzbaren Acetyl-CoA ab. Dieses dient u. a. zur Synthese von Cholesterin, aus dem die Leber unter Mitwirkung von Cytochrom P450 Gallensåuren und Vorprodukte der Steroidhormone herstellt.

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Die Leber gibt Gallensåuren als Entsorgungsform des Cholesterins und als Hilfsmittel der Fettverdauung in den Verdauungskanal ab; sie werden aber teilweise mit den resorbierten Lipiden çber den ¹enterohepatischen Kreislaufª in die Leber zurçckgeholt. Die mit der Galle abgegebenen Gallenfarbstoffe sind Entsorgungsformen des Blutfarbstoffs Håm und entstammen abgebautem Håmoglobin.

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Die Leber produziert Somatomedine; dies sind hormonartige Wachstumsfaktoren wie die IGF's (Insulin-like growth factors).

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Leberfunktionen werden ihrerseits im Zusammenhang mit der Regelung des Blutzuckerspiegels und des gesamten Energiehaushalts hormonal gesteuert. Die Aufnahme çberschçssiger Glucose aus dem Blut in Energie-speichernde Zellen (Leber-, Muskelund Fettzellen) und ihre Ûberfçhrung in Glykogen oder Fett wird durch das Hormon Insulin, die Freisetzung von Energietrågern (Glucose, Fettsåuren) aus den Speicherorganen durch das Hormon Glucagon stimuliert. Beide Hormone entstammen den Langerhans-Inseln des Pankreas (Insulin den b-Zellen, Glucagon den a-Zellen), die mit eigenen Sensoren den momentanen Blutzuckerwert messen kænnen. Teil des Sensors ist ihr eigener Glucosetransporter. Zellen, die auf Insulin ansprechen, sind mit dem Glucosetransporter GLUT-4 ausgerçstet.

Die Syndrome des Diabetes mellitus treten ein bei Mangel an Insulin (Typ 1, ¹Jugenddiabetesª), unzulånglicher Ausrçstung der Zielzellen mit Insulinrezeptoren oder sonstig gestærter Ansprechbarkeit der Zielzellen (Typ 2 ¹Altersdiabetesª). Bei Insulinmangel vermehrt freigesetzte Fettsåuren werden in der Leber zu Ketokærpern wie Acetessigsåure und Aceton metabolisiert, die in hæherer Konzentration toxisch wirken.

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6

Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere Entsorgung des niedermolekularen Abfalls und geregelte Entwåsserung

6.1 Stickstoffentsorgung und extrarenale Exkretion 6.1.1 An der Entsorgung (Exkretion) sind viele Organe beteiligt Exkretion ist Abfallentsorgung. Wenn es um Exkretion geht, steht die Niere im Mittelpunkt. Wenn ¹etwas an die Nieren gehtª wird es lebensgefåhrlich. Dies unterstreicht die lebensnotwendige Funktion der Niere. Andererseits ist keineswegs nur die Niere mit der Beseitigung von Abfall befasst. Das im Stoffwechsel der Zellen (Citratcyclus) anfallende CO2 geben wir çber die Lunge an die Auûenwelt ab. Die von Wasser umspçlten Kiemen der Fische dienen nicht nur dem Austausch der Atemgase O2 und CO2, sondern sind auch die Orte, wo der Fisch Stickstoff in Form von Ammoniak oder Harnstoff los wird. Auch Ionen werden çber die Kiemen transportiert, çberschçssige nach auûen ins umgebende Wasser, benætigte vom Auûenwasser nach innen ins Blut. Die Entsorgungsfunktion des Immunsystems wird in einem eigenen Kapitel (7) besprochen. Es låsst sich noch manche Mæglichkeit auflisten, wie der Kærper Ûberschçssiges und Unerwçnschtes loswerden kann, ohne dass die Niere ins Spiel gebracht werden mçsste oder ± bei Wirbellosen ± andere, åquivalente Exkretionsorgane. Auf einige auûerhalb der klassischen Exkretionsorgane bewåltigte Entsorgungsfunktionen wird in den folgenden Abschnitten noch nåher eingegangen. Andererseits beschrånkt sich die Funktion der klassischen Exkretionsorgane keineswegs auf die

Beseitigung von Abfall. Eine ebenso wichtige Rolle spielen sie bei der Entwåsserung des Kærpers (besonders wichtig bei Sçûwassertieren, in die osmotisch Wasser eindringt) und bei der Regelung der ionalen Zusammensetzung der Kærperflçssigkeit. 6.1.2 Die Entsorgung des Stickstoffs bereitet besondere Probleme und beginnt in jeder einzelnen Kærperzelle In jeder Zelle werden im Zuge einer inneren Erneuerung laufend denaturierte Proteine, gebrauchte RNA und andere Substanzen durch neu synthetisierte ersetzt. Beim Abbau gealteter und çberschçssiger Proteine wird zugleich die relative Menge der einzelnen Aminosåuren auf den neuen Bedarf eingestellt. Es mçssen einerseits alle 20 Standardaminosåuren in den benætigten Mengen verfçgbar sein, andererseits sollen nicht mehr als nætig Aminosåuren frei gelæst sein, weil sie den osmotischen Wert der Zellen und des Blutes belasten. Bei der Entscheidung, ob bestimmte Aminosåuren durch Abbau aus dem Verkehr gezogen werden sollten, wird die Zelle auch berçcksichtigen, was sie im Falle des Bedarfs dem Blut entnehmen kann. Øhnlich verhålt es sich mit den Basen der Nukleinsåuren. Auch sie sollen in ausreichendem Maûe verfçgbar sein, aber zuviel ist zuviel und belastet die osmotische Balance zwischen dem Zellinneren und dem Zellåuûeren. Ûberschçssiges wird zur Energiegewinnung in der Glykolyse und dem Citratcyclus ¹verheiztª. Dabei fållt Unverbrennbares als Asche an, beispielsweise Phosphat und Sulfat. Solch ungiftigen Abfall darf die Zelle getrost in die Blutbahn kip-

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

Abb. 6.1.

6.1 Stickstoffentsorgung und extrarenale Exkretion

pen. Die Niere entsorgt das schon. Anders verhålt sich das mit dem Stickstoff. 6.1.3 Es gibt zwei Hauptquellen von Stickstoff: Aminosåuren und Nukleotide, aber viele potentielle Abbauprodukte Man denkt bei der Stickstoffentsorgung zu Recht erst einmal an Aminosåuren. Falls der Stickstoff der Aminosåuren nicht durch Transaminierung gerettet und anderweitig nutzbar gemacht werden kann, fållt er als Ammoniak NH3 an (Abb. 6.1 u. 6.2). In einem komplizierten Syntheseweg kann aber auch wahlweise Harnstoff oder Harnsåure (Abb. 6.3 u. 6.4) hergestellt und so der Stickstoff abgefangen werden. Nicht nur Aminosåuren, auch die Basen der Nukleinsåuren sind ergiebige Quellen von Stickstoff. l

Die Pyrimidinbasen T und C (Thymidin und Cytosin) liefern zunåchst b-Aminosåuren, deren Stickstoff letztendlich als Ammoniak freigesetzt werden kann.

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Die Purinbasen A und G (Adenin und Guanin) werden in wenigen Schritten so abgebaut, dass der Stickstoff wahlweise in Form von Allantoin, Harnsåure, Harnstoff oder Ammoniak beseitigt werden kann (Abb. 6.4). Guanin kann sogar selbst Endprodukt sein. 6.1.4 Ammoniak ist giftig. Warum?

Vom Energiehaushalt her betrachtet, ist Ammoniak NH3 durchaus ein erwçnschtes Endprodukt. Es ist energiearm. Man verliert mit Ammoniak keine nutzbare Energie, wenn man ihn in die Umwelt entlåsst. Darçber hinaus durchdringt er Zellmembranen leicht und ohne Hilfsmittel. Er ist 3 Abb. 6.1. Stickstoffentsorgung. Ûberblick çber die wichtigsten Molekçle, die zur Entsorgung des Stickstoffs in die Umwelt entlassen werden

Abb. 6.2 a, b. Ammoniak/Ammonium. a Giftigkeit des Ammoniumions durch Verstopfung von Kaliumkanålen. b Gefahrlose Erzeugung von Ammonium aus Glutamin in der Wandung der Nierenkanålchen

flçchtig und kann unangenehm ¹in die Nase stechenª. Wenn etwas çbel riecht (wie schlecht gewartete Toiletten) ist dies in der Regel ein Hinweis der Natur: ¹Vorsicht Gift!ª. So auch hier. Jedes Lehrbuch der Physiologie oder Zoologie sagt, Ammoniak sei ein starkes Zellgift. Sucht man nach einer Erklårung warum, ist dies oft-

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

Abb. 6.3. Harnsåure. Nur angedeutet ist ihre komplizierte Synthese aus Aminosåuren

mals vergeblich. Hier werden zwei Erklårungen gegeben (s. Abb. 6.2): Im Wasser gelæstes Ammoniak NH3 geht leicht unter Aufnahme eines Protons in das Ammonium-Ion çber. NH3 + H+ ? NH+4 Dies geschieht verståndlicherweise umso leichter, je mehr Protonen da sind, d. h. je saurer das Læsungswasser ist. Jedoch schon beim recht alkalischen pH 9, also bei sehr geringem Protonenangebot, liegen bereits 97% in ionisierter Form vor. Innerhalb einer Zelle liegt (beim çblichen pH von 7,4) 99% des Ammoniaks in Form von NH+4 und nicht als NH3 vor. Anders als das wenig polare NH3 kann das ionisierte NH+4 Zellmembranen nicht einfach passieren. Ammoniak kann leicht in die Zelle eindringen, findet aber ± zum Ammonium-Ion verwandelt ± nicht wieder heraus. Die Zelle ist eine Falle, in der sich Ammonium-Ionen leicht anreichern kænnen. Ammonium-Ionen kænnten nur durch besondere Kanåle oder mittels besonderer Translokatoren çber die Membran nach drauûen verfrachtet werden. Dabei sieht sich die Zelle einem Problem gegençber. NH+4 sieht zum Verwechseln dem K+ gleich. Die Ionenradien und

Abb. 6.4. Harnsåure als Derivat der Purinbasen und ihr mæglicher Abbau bis hin zu Ammoniak

6.1 Stickstoffentsorgung und extrarenale Exkretion

die Dimensionen der Hydrathçllen sind åhnlich. Besondere Pumpen wçrden mit einiger Wahrscheinlichkeit statt Ammonium-Ionen versehentlich die im Zellinneren benætigten K+-Ionen nach drauûen transportieren, so wie umgekehrt die Ionenpumpe Na+-K+-ATPase statt K+ fålschlicherweise NH+4 ins Zellinnere færdert. Ammonium-Ionen als Nervengift. Erregbare Zellen, namentlich Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen, besitzen nicht nur die eben erwåhnte Na+-K+ATPase, sondern auch noch besondere K+-Kanåle, die zur Erzeugung der elektrischen Membranspannung (Ruhemembranpotential, s. Kap. 14) von wesentlicher Bedeutung sind. Die Ionenpumpe Na+-K+-ATPase muss von Zeit zu Zeit angeworfen werden, um die stimulierte, elektrische Impulse erzeugende Zelle von eingedrungenem Na+ zu entlasten und ausgetretenes K+ in die Zelle zurçck zu holen. Die K+-Bindungsstelle der Na+-K+-ATPase ist aber nicht hoch selektiv und bei reichlichem Angebot wird ¹versehentlichª auch NH+4 ins Zellinnere befærdert. Es kann sich im Cytosol soviel Ammonium anreichern, dass ein Diffusionsdruck nach auûen aufgebaut wird. NH+4 dringt aus dem Cytosol in diese K+-Kanåle hinein und verstopft sie; denn der Durchmesser der Kanalporen erlaubt keine vollståndige Passage von NH+4 . Das Zellmembranpotential bricht zusammen. Ammonium-Ionen sind ein Nervengift. Aushungern des Citratcyclus versus Glutaminsynthese. Diskutiert wird auch folgender Effekt: Ein Metabolit des Citratcyclus, a-Ketoglutarat, reagiert unter Aufnahme von NH+4 zu Glutamat, dieses unter Aufnahme eines weiteren NH+4 zu Glutamin. Das thermodynamische Gleichgewicht liegt auf Seiten des Glutamin. Bei hohem Angebot an Ammonium-Ionen verarmt die Zelle an a-Ketoglutarat; die Zelle hungert aus. Andererseits ist das Abfangen von NH3/NH+4 durch a-Ketosåuren eine bewåhrte Methode, die gefåhrlichen Ammonium-Ionen abzufangen. Wir hatten im Kapitel 5 schon erfahren, dass die Muskelzelle Aminostickstoff mit Pyruvat abfångt und das entstehende, harmlose Alanin çber die Blut-

bahn der Leber weitergibt. Auch die Glutaminsynthese eignet sich zum Abfangen, und mancherlei Kærperzellen nutzen auch diese Mæglichkeit. Glutamin ist gut vertråglich. Die Niere kann dann aus Glutamin wieder NH+4 freisetzen. Sie tut dies in der Wandung der Nierenkanålchen (Nephrontubuli) und in einer Weise, dass die Ammonium-Ionen gleich in den Harn gelangen. Der ist sauer genug, dass die ionisierte Form erhalten bleibt und nicht etwa NH3 zurçck ins Blut diffundieren kann (s. Abb. 6.2). 6.1.5 Nach traditioneller Lehre gibt es drei hauptsåchliche Mæglichkeiten, Stickstoff auszuscheiden: Ammoniotelie, Ureotelie und Uricotelie 1. Ammoniotelie: Ammoniak als Endprodukt. Das einfachste und energieårmste ausscheidbare Endprodukt (griech.: telos = Ziel, Ende) ist eben doch Ammoniak NH3. Ammoniak kann anfallen beim Abbau aller 20 Aminosåuren und beim Abbau der Pyrimidinbasen Thymidin (T) und Cytosin (C). Auch beim Abbau der Purinbasen Adenin (A) und Guanin (G) gibt es Wege, die beim Ammoniak enden (Abb. 6.4). Ammoniak kann ausgezeichnet diffundieren, auch çber Zellmembranen hinweg ± sofern tatsåchlich Ammoniak NH3 vorliegt und er sich nicht in das Ammonium-Ion NH+4 verwandelt. Um die unvermeidbare Ionisierung zum NH+4 auf ein tolerierbares Maû einzuschrånken, muss die Zelle einen hohen pH einstellen; aber das hat Grenzen. Immerhin gibt es ja die Gleichgewichtsreaktion NH3 + H+ « NH+4 , und wenn NH3 verschwindet, muss sich nach dem Massenwirkungsgesetz ein entsprechender Anteil an NH+4 in NH3 zurçckverwandeln. Sind die Zellen des Kærpers allseits von Wasser umspçlt und kann der Kærper leicht mit Wasser durchspçlt werden, ist die Beseitigung von Ammoniak im Allgemeinen kein groûes Problem. Schon geringe Konzentrationen in den Kærperzellen gençgen, um Ammoniak hinaus ins umgebende Wasser diffundieren zu lassen.

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128

6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

Vorteile also: l

Ammoniak diffundiert leicht,

l

ist billig herzustellen. Nachteile:

l

Ammoniak ist giftig, insbesondere in der ionisierten Form NH+4 ,

l

nur tolerierbar fçr Tiere im Wasser.

Ammoniotelisch sind viele primåre Wassertiere. (Sekundår sind Wassertiere, die in der Evolution vom terrestrischen zur aquatischen Lebensweise wechselten wie die Lungenschnecken des Sçûwassers; diese produzieren Harnstoff.) Doch schon groûe primåre Wassertiere wie die Haie kænnen Probleme bekommen und fçhren Ammoniak noch in den Kærperzellen in Harnstoff çber. Sie gehæren damit zur folgenden Kategorie.

2. Ureotelie. Endprodukt ist Harnstoff (lat./engl.: urea). Harnstoff kann erstaunlicherweise, trotz seiner ausgesprochen polaren Struktur, recht gut çber Zellmembranen diffundieren. Glaubte man vor Zeiten, Harnstoff kænne sich durch die LipidDoppelschicht der Zellmembran hindurchmogeln, wie dies auch fçr CO2 angenommen wird, so sind nunmehr besondere Poren bzw. Kanåle identifiziert und ihre molekulare Struktur aufgeklårt. Molekular zåhlen die Proteine der Harnstoffkanåle zur Familie der Aquaporine (Wasserporen). Sie lassen denn auûer Harnstoff auch in gewissem Maûe Wasser durch. Harnstoff ist chemisch recht inert und daher gut vertråglich. Als polares Molekçl ist er gut wasserlæslich. Dies kann jedoch auch von Nachteil sein. Er kann nur in Form wåssriger Læsungen ± Urin ± ausgeschieden werden, weil er erst bei extrem konzentrierten (und damit extrem osmotisch aktiven) Læsungen auskristallisieren wçrde. l

Vorteile: chemisch inert, gut diffusionsfåhig (durch besondere Kanåle der Zellmembran);

l

Nachteile: Synthese energieaufwendig; viel Wasser zum Ausscheiden nætig.

Ureotelisch sind viele Fische. Amphibien sind als Kaulquappen oft noch çberwiegend ammoniotelisch, nach der Metamorphose çberwiegend ureotelisch. Auch die Såuger sind ureotelisch. Ihnen muss ausreichend Trinkwasser zur Verfçgung stehen, damit sie ihren Kærper durchspçlen und von Harnstoff befreien kænnen. 3. Uricotelie. Endprodukt ist Harnsåure (engl.: uric acid). Harnsåure ist nur gering wasserlæslich (was man der Formel nicht recht ansieht). Es sind nur Læsungen niederer Konzentration mæglich. Entzieht man einer solchen Læsung etwas Wasser, fållt Harnsåure kristallin aus. Das eben kann zum Vorteil des Tieres sein. Harnsåure kann vom Vogel im Flug als wasserarmer Brei kleiner Kristalle aus der Heckæffnung (Kloake) entlassen werden. Die weiûliche Farbe des auf uns herabregnenden Produkts kommt z.T. vom beigemischten Guanin, das ebenfalls Exkretionsprodukt dieser Tiere ist. l

Nachteile: sehr aufwendige Synthese (Abb. 6.3 u. 6.4);

l

Vorteile: fast kein Wasser zur Ausscheidung nætig.

Uricotelisch sind Tiere, die mit Wasser sparsam umgehen mçssen. Beispielsweise Reptilien in den Wçsten. Vægel und Fluginsekten mçssen darçber hinaus Gewicht sparen und kænnen nicht viel Wasserballast mitschleppen. Es muss betont werden, dass diese Einteilung nur dasjenige Endprodukt nennt, das quantitativ çberwiegt. Viele Tiere kænnen je nach Wassermenge, die ihnen zur Verfçgung steht, mal diese mal jene Ausscheidungsweise bevorzugen. Auch der Mensch scheidet mit seinem Urin nicht nur Urea (= Harnstoff) aus, sondern auch Ammoniak (Geruch!), Ammoniumionen und etwas Harnsåure. In den kærpereigenen Sammelbehåltern fçr den Urin (Nierenbecken, Harnblase) kann Harnsåure als Nieren- oder Blasensteine ausfallen. Allerdings bestehen solche Steine in der Regel çberwiegend aus anderen schwerlæslichen Materialien wie Calciumoxalat, Calciumphosphat und Calciumcarbonat. Schon diese kur-

6.2 Die expliziten Exkretionsorgane der Lehrbçcher

ze Aufzåhlung unterstreicht, dass im Urin viel mehr als Harnstoff enthalten ist. 6.1.6 Es gibt noch viele andere Stoffwechselendprodukte und auch extrarenale Entsorgung Einige weitere Stoffwechselendprodukte sind in Abb. 6.4 und 6.5 beispielhaft aufgelistet. Endogenes Kreatinin und ein Derivat der Hippursåure, die p-Aminohippursåure, spielen in der Medizin eine Rolle bei Nierenfunktionsprçfungen. Trimethylamin ist eine flçchtige Substanz, die çber unsere Nase vor verdorbenem Fisch mahnt, und durch bakterielle Zersetzung aus dem wasserlæslichen Trimethylaminoxid der ¹Meeresfrçchteª entsteht. Arthropoden speichern Stickstoff in ihrer Cuticula. Sie besteht aus dem stickstoffhaltigen PolyN-Acetylglucosamin (Chitin) und aus vernetzten Proteinen. Darçber hinaus kænnen weitere stickstoffhaltige Verbindungen in die Cuticula eingelagert sein, wie die Farbpigmente der Pteridine und Guanin, die zum Farbmuster der Schmetterlingsflçgel beitragen kænnen (Guanin gibt auch Fischschuppen einen weiûlich-silbrigen Glanz). Mit jeder Håutung wird ein Krebs, eine Spinne und ein Insekt viel gespeicherten Stickstoff los. Nach der letzten Håutung muss dann verstårkt auf sezernierbare Produkte umgeschaltet werden, auf Trimethylaminoxid und Harnstoff (Krebse), Guanin (Spinnen) oder Harnsåure (Insekten).

6.2 Die expliziten Exkretionsorgane der Lehrbçcher 6.2.1 Physiologisch werden Sekretionsorgane und Filtrationsorgane unterschieden Abb. 6.5. Exkretionsprodukte II. Kreatinin und Hippursåure finden sich in geringer Menge auch im Harn des Menschen. Das natçrlich vorkommende Kreatinin kann zur Bestimmung der glomerulåren Filtrationsrate GFR herangezogen werden. Ein kçnstliches Derivat der Hippursåure, p-Aminohippursåure, spielt ebenfalls eine Rolle bei Nierenfunktionsprçfungen

Morphologisch werden drei, physiologisch zwei Typen von Exkretionsorganen unterschieden. Jedes zoologische Lehrbuch listet im Mindestfall auf:

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

Abb. 6.6. Protonephridium. Die schlagende Geiûel treibt Wasser Richtung Kanalausgang und erzeugt so einen Unterdruck, der Kærperflçssigkeit durch einen Filter hindurch in das Kanallumen nachzieht l

Protonephridien (Abb. 6.6), vorkommend bei Turbellarien, Trematoden, Larven von Anneliden und Mollusken, Amphioxus;

l

Metanephridien (Anneliden und andere Wirbellose mit Coelom);

l

Malpighische Schlåuche (Insekten, Spinnen).

Der Physiologe betont gern die funktionelle Gliederung in l

Filtrationsorgane: Proto-, Metanephridien, Nieren mit Glomeruli (Abb. 6.7 u. 6.8);

l

Sekretionsorgane: Malpighische Gefåûe, Antennen- und Coxaldrçsen (Krebse), aglomerulåre Nieren mariner Fische.

Bei nåherer Betrachtung haben Filtrationsorgane auch Sekretionsverfahren eingerichtet, um Substanzen loszuwerden. Das erfahren wir nåher, wenn wir im Folgenden die menschliche Niere untersuchen.

Abb. 6.7. Niere. Grobanatomie

6.3 Die Niere des Menschen 6.3.1 Die Niere filtriert ohne viel Federlesen alles Niedermolekulare hinaus, holt sich aber das Benætigte zurçck Die Niere verfolgt eine einfache aber sehr geschickte Strategie. Das Blut wird çber einen Ultrafilter geleitet, durch den viel Blutwasser (Blutplasma) mitsamt allen gelæsten niedermolekularen Substanzen hindurchsickert. Das Filtrat (Primårharn) gelangt in kleine Schlåuche, çber die es weitergeleitet und in denen es weiterverarbeitet wird. In diesem Primårharn befinden sich auch der lebensnotwendige Blutzucker Glucose sowie Aminosåuren und manch andere brauchbare Substanzen. Die Strategie der Niere ist: ¹Im Stoffwechsel fallen viele unnçtze Endprodukte an; schrecklich viel Unkalkulierbares und Gefåhr-

6.3 Die Niere des Menschen

Abb. 6.8. Glomerulus (synonym: Glomerulum)

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

liches kommt çber den Darm in den Kærper herein oder wird von Parasiten und Krankheitserregern in den Kærper ausgeschieden. Zur Vorsicht wird alles hinausfiltriert. Das Brauchbare ist hingegen besser definiert und in der Vielfalt geringer. Fçr Glucose und Aminosåuren gibt es spezifische Translokatoren, mit deren Hilfe man die nicht allzuvielen brauchbaren Materialien wieder zurçckholen kann.ª Darçber hinaus muss freilich fast das ganze Wasser zurçckgewonnen werden, sonst wåre man in wenigen Minuten ausgetrocknet. 6.3.2 Sehr wichtig ist auch die Regelung des Wasserhaushalts Haben Sie sich schon einmal klargemacht, dass jede Tasse Kaffee und jedes Maû Bier quantitativ ins Blut gelangt? An einem trinkfreudigen Tag kænnte schon mal das Blutvolumen von 5 Litern auf das Doppelte ansteigen, und um ein Vielfaches auch der Blutdruck, wçrde die Niere das Wasser nicht rasch wieder herausfiltern. Andererseits verlieren wir ståndig Wasser, nicht nur wenn wir schwitzen, sondern mit jedem Atemzug; denn Atemluft ist wasserdampfgesåttigt. Bald wåre der Kærper ausgetrocknet, wçrde die Niere nicht auch im Bedarfsfall sparsam mit Wasser umgehen kænnen. 6.3.3 Das einzelne Funktionsmodul ist das Nephron ± unsere Niere hat çber eine Million davon Das Nephron, das einzelne Funktionsmodul der Niere, beginnt mit einem kleinen Knåuel von Blutkapillaren, dem Glomerulus (man liest statt der maskulinen Form Glomerulus ± Plural: Glomeruli ± oft auch die Neutrumform Glomerulum ± Plural: Glomerula). Die ca. 1,2 Millionen Glomeruli einer einzelnen Niere liegen in der Peripherie der Niere, der Nierenrinde. Dorthin ziehen auch Arteriolen, die das zu filtrierende Blut heranfçhren. Die Eingangskapillare (vas afferens) eines jeden Glomerulus ist von kontraktilen Mesangialzellen umgeben, die den Rohrquerschnitt verengen und damit den Blutzufluss regeln kænnen.

Der Glomerulus wird von der becherfærmigen Bowman'schen Kapsel umhçllt. Sie fångt den filtrierten Primårharn auf. Glomerulus plus Bowman'sche Kapsel heiûen zusammen Nierenkærperchen; doch hat es sich eingebçrgert, das ganze Gebilde Glomerulus zu nennen. (Entsprechend wird das Wort Nierenkærperchen nur selten gebraucht.) Die aneinandergrenzenden Wandungen der Blutkapillaren und der Bowman'schen Kapsel und die dazwischen liegende Basalmembran bilden zusammen den Ultrafilter. Der von der Kapsel aufgefangene Primårharn flieût durch das Ræhrensystem des Nephrontubulus, wo der volumenreiche Primårharn zum konzentrierten definitiven Harn verarbeitet wird. Begleitende Blutgefåûe nehmen die aus den Tubuli herausgezogenen brauchbaren Substanzen mitsamt dem Læsungswasser auf, um es in den Kærper zurçckzuleiten. Die Tubuli aller 1 bis 2 Millionen Nephrone bilden zusammen mit den begleitenden Blutkapillaren die Hauptmasse des Nierenmarks. Der einzelne, gewunden verlaufende Tubulus ist in einzelne Abschnitte gegliedert: l

Proximaler Tubulus (proximales Convolut, Convolut = stark gewundener Teil, Långe 10 mm);

l

Henlesche Schleife, absteigender Schenkel (8 mm);

l

Henlesche Schleife, aufsteigender Schenkel (8 mm);

l

distaler Tubulus (distales Convolut, 10 mm);

l

Sammelrohr (20 mm), in das mehrere benachbarte Nephronkanåle mçnden. Die Sammelrohre ihrerseits mçnden alle in einen zentralen Hohlraum, dem Nierenbecken. (Beachte: Das Nierenbecken ist nicht ein Gefåû fçr die Niere, sondern ein Harnsammelraum in der Niere!) Die Funktionen der einzelnen Teile des Nephrons werden in den folgenden Abschnitten erlåutert.

6.3 Die Niere des Menschen

6.3.4 Der Glomerulus als Ultrafilter: das pochende Herz liefert den nætigen Filtrationsdruck

kelzellen eingeschlossen ist, in die Blutbahn injiziert wird). l

Håmoglobin und Serumalbumin mit Molmassen von 68 000 bzw. 69 000 (68±69 kD) werden hingegen vollståndig zurçckgehalten. Als Faustregel kann man die Ausschlussgrenze bei 40 000 Molmasse ansetzen.

l

In und çber die Niere wird die Mehrzahl der Hormone beseitigt; deren Molekulargewicht liegt in der Regel unterhalb der Ausschlussgrenze. Ein vielgebrauchter Schwangerschaftstest beruht darauf, dass im Urin einer Frau Spuren des Placentahormons HCG (human chorionic hormone, MG 36±40 kD) nachweisbar werden, wenn sich der Embryo in die Gebårmutter eingenistet hat. Dieses Hormon gelangt in den Blutkreislauf der Frau und çber ihre Niere in den Urin.

Der Ultrafilter des Glomerulus ist ein Gemeinschaftserzeugnis der Kapillarenwånde und der angrenzenden Kapselwand. l

Die Innenwånde der Kapillaren, die Endothelien, formen Poren (¹fenestriertes Endothelª), die als erstes Grobfilter fungieren. Sie haben einen Durchmesser von 25±50 nm und halten Blutzellen zurçck.

l

Es folgt die Basalmembran (Basallamina), die mutmaûlich groûe Proteinmolekçle zurçckhålt.

l

Der feinste Ultrafilter wird von dem Teil der Kapselwand, der den Blutkapillaren eng aufliegt, gebildet. In diesem Bereich haben die Zellen der Kapselwand eine eigenartige Form und heiûen Podocyten (Fçûchenzellen). Sie sind in ihrer Peripherie abgeflacht und an ihren Råndern kammfærmig ausgezackt. Die fuûfærmigen Kammzåhne benachbarter Zellen sind miteinander verzahnt. Zwischen den 12 bis 25 nm engen Schlitzen benachbarter Fuûfortsåtze ist ein Sieb aus vermaschten Proteinfibrillen (slit membrane) ausgespannt. Zusammen mit der Basallamina bildet dieses feinmaschige Sieb den Ultrafilter. Er hålt Proteinmolekçle wie z. B. Albumine oder Antikærper zurçck, låsst jedoch Peptide und alles Niedermolekulare durch. Eine exakte Molmasse fçr die Ausschlussgrenze låsst sich nicht definieren, da wie bei jedem Ultrafilter auch die Form eines Molekçls, seine Læslichkeit (Hydrophilie) und seine elektrische Ladung von Bedeutung sind.

l

Inulin, ein in medizinischen Nierenuntersuchungen ins Blut gespritztes, aus Pflanzenknollen (Topinambur) gewonnenes Polyfructosan mit der Molmasse 5500 passiert den Filter ungehindert.

l

Myoglobin mit der Molmasse 17 000 wird noch zu 75% durchgelassen (dies im Experiment, wenn Myoglobin, das normalerweise in Mus-

Peptide werden weitgehend im Nephron, vermutlich von Mesangialzellen der Glomeruli, per Endocytose aufgenommen und enzymatisch in Aminosåuren zerlegt, die alsdann resorbiert werden; doch vollståndig ist die Beseitigung nicht. Hochempfindliche Messmethoden entdecken noch manches Peptidhormon und manch sonstiges Protein im Harn. Bis zu 150 mg Peptide/Protein pro Tag im Harn gelten als normal; darçber hinaus gehende Mengen geben Anlass zur Diagnose Proteinurie und damit zu Besorgnis. Ein Ultrafilter muss mit Druck betrieben werden. Den nætigen hydraulischen Druck liefert das pochende Herz. Der arterielle Blutdruck am Glomerulus liegt bei 48±60 mmHg (am Herzausgang 90±160 mmHg). Zwischen den afferenten Blutkapillaren, die in die Glomeruli hineinfçhren, und den herausfçhrenden efferenten Gefåûen herrscht eine Druckdifferenz von ca. 38 mmHg (5 kPa). Der Fachmann zieht bei der Abschåtzung des effektiven Filtrationsdrucks noch einige mmHg ab; denn das Blut hat nach der Passage des Glomerulus wegen des Wasserverlustes eine erhæhte Proteinkonzentration und die ist Ursache eines so genannten kolloidosmotischen Drucks, auch onkotischer Druck genannt, der dem Filtra-

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

tionsdruck entgegensteht und bei einem Wert von > 5 kPa die Filtrationsleistung auf Null abfallen låsst. (Der ¹onkotische Druckª in der medizinisch-physiologischen Literatur ist mit ¹osmotischem Wertª gleichzusetzen, der in diesem Fall vor allem von gelæsten Proteinmolekçlen ausgeht; s. Box K6.)

6.3.5 Podocyten und Mesangiumzellen regeln die Eigenschaften des Filters und reinigen ihn Podocyten sind keine passiven Elemente des Ultrafilters, sondern kænnen aktiv die Filtrationsleistung des Sytems veråndern. Sie reagieren auf Hormone wie Angiotensin II (s. Abb. 6.16). Sie kænnen ihr elektrisches Membranpotential veråndern und so den Durchtritt geladener Teilchen færdern oder hemmen. Durch Kontraktion oder Expansion ihrer Fçûchen kænnen sie die Zug-

Abb. 6.9. Clearance. Mæglichkeiten, wie Substanzen in der Niere behandelt werden, und Clearance-Begriff

6.3 Die Niere des Menschen Tabelle 6.1. Stichworte fçr das, was in den folgenden Abschnitten im Detail erlåutert wird: Proximales Convolut

Absteigende Henleschleife

Aufsteigende Henleschleife

Distales Convolut

Sammelrohr

Epithel des Nephrontubulus mit

Pumpen und Wasserporen

Wasserporen

Pumpen

Pumpen und Wasserporen

Wasserporen Glutaminase

Vorgang

Isotoner Wasseru. Substanzexport

Osmotischer Wasserentzug

Aktiver Teilchenexport

Isotoner Wasseru. Substanzexport

Osmotischer Wasserentzug

Osmotischer Wert

300 mosmol/l

ansteigend bis 1200 mosmol/l

abfallend bis 100 mosmol/l

100±300 mosmol/l

ansteigend bis 1200 mosmol/l

spannung auf den Feinstfilter, der zwischen ihnen ausgespannt ist, veråndern und damit den Ultrafiltrationskoeffizienten beeinflussen. Sind die Podocyten defekt, erscheint Protein im Harn. Proteinurie ist ein lebensgefåhrliches Symptom. Damit nicht genug. Jeder Filter verstopft mal. Es wird angenommen, es seien die Podocyten oder die zwischen den Kapillaren angesiedelten Mesangiumzellen, die den Filter reinigen, indem sie Proteine und andere Ablagerungen per Endocytose aufnehmen und intrazellulår verdauen.

Maû fçr den effektiven renalen Plasmafluss RPF (auch ERPF) ist. Darunter ist die Menge Blutplasma zu verstehen, die pro min durch die Gesamtheit der Glomeruli flieût. Sie liegt bei 600 ml/min. RPF ˆ Harnvol=min

l

Die Substanz passiert zwar den Ultrafilter, wird aber anschlieûend wieder vollståndig ins Blut zurçckgeholt. Beispiele sind Glucose und Aminosåuren. Glucose sollte auch dann nicht im Harn erscheinen, wenn man 1 Liter Traubensaft getrunken hat. Der Clearancewert sollte, wenn das Blut nicht mit Glucose çberlastet ist, bei funktionstçchtiger Niere null sein, d. h. dem Blut wird im Endeffekt keine Glucose entzogen.

l

Die Substanz passiert den Filter ungehindert, wird weder zusåtzlich sezerniert noch nachtråglich wieder zurçcktransportiert. Beispiele sind das natçrlich vorkommende Kreatinin und das manchmal bei Nierenuntersuchungen in die Blutbahn gespritzte, chemisch inerte, von den Wurzeln des Topinambur gewonnene Fructosepolymer Inulin. Etwa 125 ml Blutplasma werden pro Minute von solchen Substanzen befreit. Dieser Clearancewert von 125 ml/min entspricht der glomulåren Filtrationsrate GFR und gibt kund, dass die Ultrafilter nicht verstopft sind.

6.3.6 Wie Substanzen weiter behandelt werden und der Clearancewert des Urologen bestimmt wird Mit den Substanzen, die den Ultrafilter passiert haben und sich im Primårharn befinden, kann dreierlei geschehen: l

Die Substanz wird nicht nur per Blutdruck aus dem Blut herausfiltriert, sondern auch noch çber ATP-getriebene Translokatoren ins Lumen der Kanåle sezerniert. Das Blut wird entsprechend rasch von solchen Substanzen geklårt (cleared): ihr Clearancewert ist sehr hoch (Abb. 6.9). Beispiele sind das natçrlich vorkommende Stoffwechselendprodukt Hippursåure und das bei Nierenfunktionsprçfungen zuvor ins Blut injizierte Derivat dieser Substanz, die para-Aminohippursåure (PAH). Der PAHClearancewert ist von Bedeutung, weil er ein

‰PAHŠUrin ˆ ca: 600 ml=min: ‰PAHŠBlutplasma

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

GRF ˆ Harnvol=min 

‰InulinŠUrin ˆ ca: 125 ml=min ‰InulinŠBlutplasma

Eine Filtrationsrate von 125 ml filtriertem Blut pro Minute bedeutet, dass pro Tag 180 Liter Blutwasser die Nierenfilter passieren. Sie gingen als Harn verloren, wçrde die Niere dem nicht entgegenarbeiten. Wçrde das Kochsalz NaCl, das in diesen 180 Liter Blut enthalten war und die Ultrafilter passiert hat, aufsummiert, ergåbe sich ein Verlust von 15 kg Salz pro Tag. Tatsåchlich verlieren wir pro Tag statt 180 l Wasser mit 15 kg Kochsalz nur 1,5 l Wasser mit 10 g NaCl. Eine wesentliche Funktion der dem Ultrafilter nachgeschalteten Nierenkanålchen ist neben der Rçckresorption brauchbarer Molekçle die Rçckfçhrung von Natrium- und Chloridionen und von Wasser. Die Rçckfçhrung von Wasser und Ionen ist gekoppelt. Wie man ohne spezielle Wasserpumpen mithilfe von Ionen Wasser çber Membranen und Epithelien treiben kann, ist in Box K6 erlåutert (s. Abb. 6.10). 6.3.7 Ein erster Ûberblick: eine Achterbahn des osmotischen Wertes wird in einem hochkonzentrierten Harn enden

Abb. 6.10. Wassertransport durch eine animale Zellmembran. Ionen oder andere polare Substanzen werden, ihrer Hydrathçlle ganz oder teilweise entkleidet, çber Translokatoren auf die andere Membranseite befærdert. Dort fangen sie freie Wassermolekçle zur Regeneration ihrer Hydrathçlle ein; folglich sinkt hier die Konzentration freien Wassers. Wassermolekçle stræmen, dem Konzentrationsgradienten an freiem Wasser folgend, durch Wasserkanåle den aktiv translozierten Substanzen nach. Der Ionentransport kann elektroneutral oder elektrogen sein. Beim elektrogenen Transport werden Kationen und Anionen getrennt und es entsteht çber die Membran hinweg eine elektrische Spannung

Der Primårharn wird in einer Schlingerbahn von der Nierenrinde hinab Richtung Nierenbecken, zurçck Richtung Nierenrinde und wieder hinab Richtung Nierenbecken gefçhrt und erfåhrt dabei ein Auf und Ab und Auf seines osmotischen Wertes (d. h. in der Konzentration im Harn gelæster Substanzen), dessen Sinn sich erst zum Schluss erschlieût, wenn der Harn definitiv gegençber dem Blut hyperton geworden ist. Das Auf und Ab und Auf ist an strategisch gçnstigen Stellen verbunden mit einer Rçckfçhrung von Wasser und Ionen aus dem Harn in den Blutkreislauf. Dabei kommen Gegenstromsysteme zur Geltung.

6.3 Die Niere des Menschen

a

b

Abb. 6.11 a, b. a Rçckfçhrung von Ionen, Substanzen und Wasser aus dem Nephrontubulus ins Blut im Bereich des proximalen und distalen Convoluts. Es spielen dabei Na+-Glucose- und Na+-Aminosåure-Symporter und Wasserkanåle eine besondere Rolle. b Transportsysteme im Detail. Die mit Rådern versehenen Transporter nutzen den Konzentrationsgradienten fçr Na+ als treibende Kraft, um Substanzen anderer Art (Glucose, Aminosåuren) oder H+ çber die Membran zu bringen, oder sie nutzen ATP (Na+/K+-ATPase) als Energiequelle. Die anderen Transporter (Carrier, Kanåle) werden ebenso wie der parazellulåre Weg von Substanzen kraft ihres eigenen Diffusionspotentials passiert

137

138

6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

BOX 6.1

Physikalisches und Medizintechnisches zum Thema Niere Was bedeuten ¹Læsungª und ¹osmotischerª Wert? Læsung: In Wasser læslich sind Substanzen mit polaren Eigenschaften. Polar bedeutet: ihre elektrischen Ladungen sind nicht gleichfærmig im Gesamtmolekçl verteilt; vielmehr findet sich im Molekçl (mindestens) ein Bereich mit negativem Ladungsschwerpunkt ± in der Regel der Sitz eines Elektronen-anziehenden Sauerstoffatoms ± und (mindestens) ein Bereich mit positivem Ladungsschwerpunkt ± oftmals Sitz eines Stickstoffatoms oder auch bloû von Wasserstoffatomen, die unter dem Einfluss einer elektronenhungrigen Molekçlkomponente stehen und sich daher in ihrem Charakter einem Proton H+ nåhern. Polar sind beispielsweise Glucose, Aminosåuren, Harnstoff und Elektrolyte wie Na+ und Cl±. Polar sind auch die Wasserstoffmolekçle selbst; sie haben den Charakter eines Dipols. Dank der elektrostatischen Anziehungskraft gegensinniger Ladungen umgeben sich polare Substanzen im Wasser mit Hçllen von Wasserdipolen, wobei sich die Wasserdipole einem positiven Ladungsschwerpunkt mit ihrem negativen Sauerstoffatom anlagern, einem negativen Schwerpunkt mit ihrem positiven Pol zugesellen. Na+ und Cl± sind beide vollståndig von Wasserdipolen umhçllt (Abb. 6.11). Eben darin besteht Læsung: Eine gelæste Substanz wird von Hydrathçllen in Schwebe und in Distanz zu anderen Molekçlen gehalten. Osmotischer Wert. In den Hydrathçllen haben die Wassermolekçle ihre freie Beweglichkeit eingebçût. Gelæste Substanzen binden Wassermolekçle. Osmotischer Wert ist das Maû fçr die gesamte Wasserbindekapazitåt der gelæsten Komponenten. Maû fçr die Konzentration an verbleibendem freiem Wasser ist das Wasserpotential; es wird mit negativem Vorzeichen versehen. Ein hoher osmotischer Wert ist gleichbe-

deutend mit stark negativem Wasserpotential. Die Bindekapazitåt der gelæsten Teilchen ist maûgeblich eine Funktion ihrer Zahl, nicht so sehr ihrer chemischen Eigenschaften (wiewohl es, anders als in vielen Lehrbçchern gesagt, schon einen Unterschied macht, ob beispielsweise ein kleines Na+-Ion oder ein groûes Proteoglykan mit seinen vielen OH-Gruppen Wassermolekçle bindet; verschiedene Proteoglykane des Bindegewebes sind dank ihrer hohen Wasserbindekapazitåt sogar ausgesprochene ¹Quellkærperª und Wasserspeicher). Der osmotische Wert einer Læsung wird in osmol bzw. mosmol per Liter angegeben. 1 mol/l NaCl ergibt in Læsung 2 mol/l Teilchen; der nominelle ¹idealeª osmotische Wert einer 1 molaren Kochsalzlæsung ist entsprechend 2 osmol/l = 2000 mosmol/l. Die reelle, messbare Osmolaritåt so hochkonzentrierter Læsungen ist allerdings geringer als die theoretisch errechnete ¹idealeª Osmolaritåt. Mit zunehmender Konzentration werden die råumlichen Abstånde zwischen den Ionen geringer; Kationen und Anionen nåhern sich mehr und mehr und bilden ein dreidimensionales Gitter, dessen enger werdende Maschen zunehmend weniger Wassermolekçlen Platz lassen, bis schlieûlich der NaClKristall alles Wasser ausschwitzt. Der Einfluss der Ionenabstånde auf den realen osmotischen Wert wird durch den osmotischen Koeffizienten berçcksichtigt. Er betrågt fçr 750 mosmol/l NaCl (ca. Ostseewasser) 0,91. Wie wird der osmotische Wert gemessen? l

Laborosmometer messen in der Regel die Gefrierpunktserniedrigung einer Læsung,

l

seltener ihren Dampfdruck,

l

maûen frçher den ¹osmotischen Druckª in einem Zweikammersystem (Abb. 6.12 a), auch Pfefferzelle genannt (nach dem Botaniker Pfeffer). Eben deshalb wird vielfach immer noch vom ¹osmotischen Druckª einer Læsung "

6.3 Die Niere des Menschen

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BOX 6.1 (Fortsetzung)

gesprochen, auch wenn in der Kochsalzlæsung unseres Kochtopfs kein Druck zu spçren ist, der çber den çblichen hydrostatischen Wasserdruck hinausginge. Unser Finger, den wir zur Prçfung eines gelungenen Wçrzens erst in die Suppe und dann in den Mund stecken, wird in der Suppe nicht zerquetscht, obwohl der ¹osmotische Druckª unserer versalzenen Suppe einige bar bzw. atm betragen dçrfte. Warum und unter welchen Bedingungen kann sich aber doch Druck entfalten? Warum Wasser in Zellen eindringen und ohne ATP-Verbrauch Druck entfalten kann. Osmose und osmotischer Druck Eine Kammer sei mit einer Læsung von 58 g/l (= 1 mol/l) Kochsalz gefçllt und mit einer semipermeablen Membran gegen ihre rechte Nachbarkammer, die destilliertes Wasser enthålt, abgegrenzt (Abb. 6.12 a). Semipermeabel bedeutet: Die Membran ist mit Poren durchsetzt, die einzelnen, freien Wassermolekçlen den Durchtritt gestatten, nicht aber den gelæsten Ionen Na+ und Cl± mit ihren Hydrathçllen. Diese Hçllen erhæhen den effektiven Durchmesser (StokesEinstein-Radius) der Ionen soweit, dass sie nicht mehr durch die Poren schlçpfen kænnen. Zwischen beiden Kammern bestehen zwei Konzentrationsdifferenzen mit umgekehrtem Vorzeichen: In der linken Kammer ist die Konzentration an gelæsten Teilchen hoch, aber wegen der Anziehungskraft dieser Teilchen auf Wassermolekçle ist hier die Konzentration an freien, nicht in Hydrathçllen gebundenen Wassermolekçlen vermindert. Bezçglich der freien Wassermolekçle ist also die Konzentration rechts hæher als links. Konzentrationsdifferenzen enthalten ein Energiepotential und erzeugen einen Diffusionsdruck, der aus der Brownschen Molekularbewegung resultiert (und daher auch temperaturabhångig ist). Die sich drångelnden, in ihrer ungeordneten Bewegung sich wechselseitig stoûen-

den Molekçle werden in Råume mit geringerer Populationsdichte (Konzentration) abgedrångt, bis çberall gleiche durchschnittliche Populationsdichte herrscht. Osmose ist der diffusionsbedingte Fluss freier Wassermolekçle durch eine semipermeable Membran gemåû dem Konzentrationsgefålle an freiem Wasser (= Gradient des Wasserpotentials zu mehr negativen Werten). (Weiteres zu Diffusion allgemein und dem physiologisch bedeutsamen 1. Fickschen Diffusionsgesetz s. Box K8.1 und Abb. 8.1.) In unserem Zweikammersystem drångeln freie Wassermolekçle von der rechten Kammer hinçber in die linke ± theoretisch bis links und rechts die Konzentration an freien Wassermolekçlen gleich ist. Dieser Zustand wird freilich nicht erreicht; denn die zustræmenden Wassermolekçle erhæhen den hydraulischen Druck in der linken Kammer, und dieser Druck drångt die Wassermolekçle wieder zurçck. Erreicht der hydraulische Druck den Betrag des Diffusionsdruckes, so heben sich beide entgegengesetzten Kråfte auf und der Nettowasserstrom kommt zum Stillstand. Der nun gleich bleibende, daher hydrostatische Druck hat den gleichen Betrag wie der noch vorhandene Diffusionsdruck des freien Wassers, aber entgegengesetztes Vorzeichen. Im Pfeffer-Osmometer wird mit einem Steigrohr der leicht messbare, hydrostatische Druckanstieg gemessen und sein Endwert, nach voriger Eichung des Geråtes, als Maû des osmotischen Wertes genommen. Auch in lebenden Systemen kann ein hoher osmotischer Wert eines Kompartiments, beispielsweise des Cytosols in der Zelle, den Einstrom von Wasser bedingen, das seinerseits den hydrostatischen Binnendruck (Turgor) in dem Kompartiment erhæht. Dieser kænnte gewaltig steigen. Der (virtuelle oder faktische) osmotische Druck P einer Læsung ist eine Funktion der Teilchenkonzentration und der Temperatur (= Bewegungsenergie der Teilchen)

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

BOX 6.1 (Fortsetzung)

P = (n/V) RT (van t' Hoff-Gesetz) P = Druck; Einheiten: 1 bar = 100 kPa = 0,94 atm = 14 psi = 0,752 mmHg n/V = Zahl der Teilchen pro Volumen = Konzentration R = Gaskonstante T = Temperatur in Kelvin Fçr 1 osmol/l ergibt sich ein rechnerischer osmotischer Druck von 22,4 atm. Da eine lebende Zelle einen osmotischen Wert von ca. 0,5 bis 1 osmol/l hat, kænnte sich in ihr, wenn sie von destilliertem Wasser umgeben und nicht physikalisch gegen Wassereinstrom gesichert ist, ein Druck (Turgor) von 11,2±22,4 atm entwickeln (Autoreifen werden mit 2±3 bar = 1,9±2,82 atm aufgepumpt)!!! Dies unterstreicht, dass im Kærper nicht nur das Zellinnere, sondern auch die Interstitialflçssigkeit und mit ihr die Lymphe und das Blutplasma einen ausbalancierten osmotischen Wert haben mçssen. Dafçr zu sorgen ist Aufgabe der Niere. Der ¹onkotischeª Druck in der medizinischphysiologischen Literatur ist mit ¹osmotischem Wertª gleichzusetzen, der in diesem Fall vor allem von gelæsten Proteinmolekçlen ausgeht. Die Bezeichnung ¹Druckª stammt aus Zeiten, als man den osmotischen Wert einer Læsung als Druckanstieg in einer Pfefferzelle maû. Stehen zwei Kompartimente mit unterschiedlichen Læsungen in direktem Kontakt, wird der relative osmotische Wert (+ der hydrostatische Druck) der Læsung A gegençber der Læsung B, und damit die Richtung eines potentiellen Wasserflusses mit bekannten griechischen Begriffen angedeutet: l

Læsung A hyperton (hypertonic) gegençber B: A hat einen hæheren osmotischen Wert (+ hydrostatischen Druck)

l

Læsung A isoton (isotonic) gegençber B: A und B haben gleiche osmotische Werte (+ hydrostatische Drçcke)

l

Læsung A hypoton (hypotonic) gegençber B: A hat einen geringeren osmotischen Wert (+ hydrostatischen Druck).

Der hydrostatische Druck ist hier in Klammern gesetzt, weil im Allgemeinen im Kærper hydrostatische Druckunterschiede gering sind (Ausnahme: Blutkreislauf). Umkehrosmose, Meerwasserentsalzung und Entsalzung des Primårharns Man kann den osmotischen Druck einer Læsung auch definieren nach dem Mindestgegendruck, der aufgewendet werden mçsste, um Osmose zu unterbinden. Wird auf einen geschlossenen Raum mit einer Salzlæsung ein hæherer hydraulischer Druck als dieser Mindestdruck ausgeçbt, wird Wasser durch die Membran abgepresst, bis der zunehmende osmotische Wert der Kammerlæsung diesem von auûen zugefçhrten Druck wieder die Waage hålt und einen weiteren Wasseraustritt nicht mehr zulåsst (s. Abb. 6.12 b). Moderne Seewasserentsalzungsanlagen machen sich diesen Effekt zunutze. Meerwasser wird mit hohem Druck durch Kapillaren gepresst, deren ultrafeine Poren nur den Wassermolekçlen, nicht aber den Salzionen mit ihren Hydrathçllen die Passage ermæglichen. Umkehrosmose ist auch in der Niere beteiligt, wenn es gilt, Wasser aus den Nierenkanålchen in das Blut zurçckzufçhren. Allerdings ist der Beitrag der Umkehrosmose zur Wasserrçckgewinnung aus dem Harn gering. Im Meer oder von Meeresorganismen lebende Tiere mçssen Seewasser entsalzen. Dazu Umkehrosmose einzusetzen, wåre biotechnisch kaum mæglich; denn Seewasser hat einen osmotischen Wert von 900±1400 mosmol/l. Welche Muskel-getriebene Pumpe sollte hydraulische Drçcke von mehr als 22,4 atm erzeugen? (Håtten unsere Muskeln soviel Power, kænnten wir den Autoreifen spielend von Hand aufpumpen). In den Entsalzungsorganen mariner Fische, Såuger

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6.3 Die Niere des Menschen

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BOX 6.1 (Fortsetzung)

und Seevægel sind die Membranen auch nicht mit Wasserporen ausgestattet, durch die reines Wasser abgepresst wçrde. Es werden vielmehr ATP-verbrauchende Ionenpumpen eingesetzt und Elektrolyte aus dem Blut hinaus ins Meer gepumpt, wåhrend das entsalzte Wasser im Kærper verbleibt. Beispiele fçr solche biologischen Meerwasserentsalzungsanlagen sind die aglomulåren Nieren mariner Fische, die Kiemen der Fische (besonders leistungsfåhig die der Aale und Lachse) und die Salzdrçsen von Seevægeln (s. Kap. 26 und Abb. 26.7). Wie man ohne spezielle Wasserpumpen Wasser in betråchtlicher Menge durch Membranen und Epithelien transportiert Tierische Zellen haben, soweit man heute weiû, keine speziellen Wasserpumpen erfunden, wohl aber Wasserkanåle. (Fçr ihre Entdeckung erhielt der Amerikaner Peter Agre 2003 den Nobelpreis fçr Chemie). Wo holt man die nætigen Energiepotentiale her, um Wasser durch solche Kanåle zu treiben oder zu locken? l

Die eine Mæglichkeit ist die soeben genannte Umkehrosmose, wobei eine Pumpe ± hier unser Herz ± die nætige Druckdifferenz zwischen zwei Kompartimenten ± hier zwischen den arteriellen Kapillaren der Niere und dem Harnleiter ± erzeugt. Dieses System hat allerdings nur eine geringe Effizienz.

l

Das leistungsfåhigere System schafft erst einmal Differenzen in den osmotischen Werten diesseits und jenseits der Membran oder des Epithels, durch die das Wasser geleitet werden soll. Zuerst werden mit vorhandenen Ionenpumpen Elektrolyte wie Na+ und Cl± (und andere wasserlæsliche Substanzen) çber die Membran befærdert. Beim Durchtritt durch die porenfærmigen Pumpen werden sie ihrer Hydrathçlle entledigt. Auf der anderen Membranseite angekommen, werden die Ionen sich rasch wieder mit einer Hydrathçlle bedecken. Sie ziehen freie Wassermolekçle an sich. Da-

mit sinkt die Konzentration an freiem Wasser auf dieser Membranseite ab, wåhrend die Zahl freier Wassermolekçle auf der anderen Membranseite wegen des Verlustes an Wasser-bindenden Ionen zugenommen hat. Wassermolekçle dringen gemåû dem Konzentrationsgefålle an freien Wassermolekçlen durch die parallel geschalteten Wasserkanåle und folgen damit den zuvor hinçber transportierten Ionen osmotisch nach (Abb. 6.10). Komplikationen kænnen sich durch die gegensinnige elektrische Ladung von Kationen und Anionen ergeben. Kænnen gleichzeitig Kationen (z. B. Na+) und Anionen (z. B. Cl±) durch Poren mit gleich geringem Widerstand die Membranseite wechseln, bleiben beide Seiten summarisch betrachtet elektroneutral, und es sind keine Probleme zu erwarten. (Bezçglich ihrer Wasserbindekapazitåt sind beide gleichwertig). Anders hingegen, wenn diesseits der Membran beispielsweise phosphorylierte Proteine die anionischen Partner der beweglichen Kationen waren. Da die Proteine zurçckbleiben mçssen, kommt es beim Hinçberwechseln von Kationen zur Ladungstrennung ± diesseits zu Bestånden an Proteinpolyanionen mit partnerlosen negativen Ladungen, jenseits zur Ansammlung partnerloser positiver Ladungen. Es baut sich eine elektrische Spannung (elektrochemische Potentialdifferenz) zwischen beiden Membranseiten auf. Diese wirkt auf die Kationen als Rçckholkraft und setzt ihrem Ausstrom schnell Grenzen. Es kommt zum Gibbs-Donnan-Gleichgewicht, bei dem die so aufgebaute elektrische Spannung dem Diffusionsdruck der beweglichen Ionen entgegenwirkt und ihn kompensiert. Wir vernachlåssigen im Kapitel Niere solche elektrochemischen Potentialdifferenzen weitgehend, werden ihnen jedoch umso mehr im Kap. 14, das eine Einfçhrung in die Elektrophysiologie der Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen geben wird, unsere Aufmerksamkeit schenken mçssen. "

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

BOX 6.1 (Fortsetzung)

Solvent drag, Dialyse und kçnstliche Nieren Sind die Poren einer Membran groû genug, so dass nicht nur freie Wassermolekçle, sondern auch Elektrolyte und niedermolekulare Substanzen mitsamt ihren Hydrathçllen durchschlçpfen kænnen, nicht aber Makromolekçle wie Proteine, kann es zum Phånomen des solvent drag kommen, und man kann Dialyse betreiben. Solvent drag: Ein Wasserstrom, der wegen einer hydrostatischen Druckdifferenz eine poræse Membran oder ein poræses Epithel durchdringt, kann in der Sprache der medizinischen Physiologie niedermolekulare Teilchen ¹mitschleppenª (drag). Treibende Kraft ist allerdings nicht so sehr der hydrodynamische Wasserstrom, als vielmehr der individuelle Diffusionsdruck (Partialdruckdifferenz) des jeweiligen Teilchens (und gegebenenfalls eine bioelektrische Spannung, welche elektrisch geladene Teilchen elektrophoretisch durch die Poren treibt). Solvent drag hat Bedeutung bei der Rçckfçhrung von Elektrolyten und Wasser im proximalen und distalen Convolut der Nierentubuli. Die ¹tightª junctions zwischen den einzelnen Epithelzellen der Nierentubuli sind in diesen Abschnitten eben nicht dicht, sondern leck. Bei der Dialyse im Labor wird çblicherweise eine Proteinlæsung von begleitenden Puffersalzen (und gegebenenfalls weiteren unerwçnschten niedermolekularen Substanzen) befreit. Die zu reinigende Proteinlæsung wird beispielsweise in einen feinporæsen Kunststoffschlauch gefçllt, der von einer Dialyseflçssigkeit, im einfachsten Fall von destilliertem Wasser, umspçlt ist. Ionen und niedermolekulare Komponenten bewegen sich gemåû ihrem Diffusionsdruck in das Dialysewasser und werden mit ihm entsorgt. Kçnstliche Nieren. Die Dialyseapparate der kçnstlichen Nieren machen sich mehrere der bisher genannten Mechanismen zunutze, um versagende Nieren von Patienten zu ersetzen. In der Håmodialyse (¹Blutwåscheª) werden 500±600 ml Blut pro min von der Unterarmvene

abgezweigt, zur Reinigung auûerhalb des Kærpers çber semipermeable Filter geleitet, und gereinigt çber die Unterarmvene wieder in den Kærper zurçckgefçhrt (Abb. 6.12 c). Aus dem Blut zu entfernende Teilchen wie Harnstoff und andere unerwçnschte, niedermolekulare Teilchen gelangen per Diffusion durch Hohlfaserkapillaren mit poræsen Wånden in eine Dialyseflçssigkeit, die dem Blutstrom entgegenstræmt und diese Teilchen abfçhrt. Die unselektiven Poren in der Wand der Hohlfasern lassen allerdings nicht nur Harnstoff passieren. Auch Na+, Glucose und sonstige lebenswichtige niedermolekulare Substanzen gingen verloren, wçrde nicht Vorsorge getroffen. Diese besteht darin, dass solche benætigten Substanzen der Dialyseflçssigkeit in solchen Konzentrationen zugesetzt werden, dass fçr sie kein Diffusionsdruck vom Blutplasma Richtung Dialyseflçssigkeit mehr besteht. Wasser wird im Bedarfsfall vom Blut osmotisch abgesaugt, indem der osmotische Wert der Dialyseflçssigkeit durch Zusatz von osmotisch wirksamen, nicht permeierenden Substanzen çber den osmotischen Wert des Blutplasmas angehoben wird. (Auûerdem hilft Umkehrosmose. Eine Differenz im hydrostatischen Druck çber die Wånde der Hohlfaserkapillaren wird dadurch erzeugt, dass die Dialyseflçssigkeit mit Unterdruck durch die Apparatur gesaugt wird.) Neben der traditionellen Håmodialyse gibt es als Alternative auch die Peritoneal- oder Bauchfelldialyse. Ûber einen permanenten Katheter wird mehrmals am Tag Dialyseflçssigkeit in die Bauchhæhle gefçllt. Sie verbleibt dort mehrere Stunden und wird dann abgelassen. Membranfilter ist hier das Bauchfell, das dank seiner Bestçckung mit spezifischen Poren und Carriern Harnstoff, nicht aber Glucose passieren låsst. Die Entwåsserung wird durch den Glucosegehalt der Dialyseflçssigkeit gesteuert. Ein hoher Glucosegehalt saugt osmotisch Wasser in den Bauchraum. Es wird von dort mit dem Katheter abgelassen.

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6.3 Die Niere des Menschen

BOX 6.1 (Fortsetzung) Abb. 6.12 a±d. a Osmose; b Umkehrosmose; c, d Dialyse

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

BOX 6.1 (Fortsetzung)

Gegenstromaustausch und Gegenstromkonzentrierung Eben war beilåufig erwåhnt worden, in der kçnstlichen Niere stræme Dialyseflçssigkeit dem zu reinigenden Blut entgegen. Der Ausdruck ¹Gegenstromª erscheint in allen Ausfçhrungen zur Nierenphysiologie wiederholt und in unterschiedlichen Zusammenhången. Will man die Prinzipien der Nierenfunktion begreifen, sollten verschiedene Gegenstromeffekte verstanden sein. Wir beginnen mit Gegenstromaustausch-Systemen. Die Funktion eines solchen Systems ist vom Wortsinn ableitbar. In zwei parallelen Ræhren stræmt die Flçssigkeit einander entgegengerichtet. Man kennt dies von Wårmetauschern (Abb. 6.13 a, b). Sie sind leistungsfåhiger als gleichlaufende Systeme, weil an jedem Berçhrungspunkt der beiden Ræhren ein Temperaturgefålle erhalten bleibt (Abb. 6.13 b). Eine Voraussetzung ist allerdings, dass die Transportflçssigkeit stetig flieût und daher an keinem Berçhrungspunkt ein vollståndiges Temperaturgleichgewicht erreicht wird. In einem U-færmigen Schenkel kann sich ein transitorischer Temperaturgradient aufbauen (Abb. 6.13 c). Analog zu einer Wårmeçbertragung kann auch eine Wasserçbertragung von einer Rohrleitung in eine benachbarte, oder von einem Schenkel eines U-Rohrs in den anderen, vonstatten gehen und transitorische Konzentrationsgradienten aufbauen. Wir betrachten das poræse U-Rohr in Abb. 6.13 d. Es wird von einer Læsung durchstræmt, und damit diese stræmt, muss der hydraulische Druck entlang der ganzen Ræhre abfallen, was er wegen des çberall herrschenden Stræmungswiderstandes auch tut. Weil zwischen absteigendem und aufsteigendem Schenkel des U-Rohrs an jedem Punkt eine Druckdifferenz herrscht (genauer: eine Differenz in jener Druckkomponente, die auf die Ræhrenwand wirkt) und die Ræhrenwand poræs ist, werden viele Wasser-

molekçle Abkçrzungswege nehmen kænnen und vorzeitig die Seite wechseln. Hingegen mçssen die gelæsten Teilchen zurçckbleiben; ihre Konzentration nimmt, weil sich einiges Læsungswasser vorzeitig verabschiedet hat, zur Schenkelspitze zu. Zugleich nimmt im U-Rohr die Stræmungsgeschwindigkeit ab, weil die pro Zeiteinheit noch zu transportierende Menge an Transportflçssigkeit (Fluss dV/dt) und damit auch die Druckdifferenzen (dP/dx) zunehmend geringer werden. Nach der Passage der Schenkelspitze nimmt durch den Zustrom des Kurzschlusswassers die Konzentration wieder ab und die Stræmungsgeschwindigkeit zur Bewåltigung der wieder græûer werdenden Flçssigkeitsmenge wieder zu. Die Konzentrierung bei abnehmender Flieûgeschwindigkeit vor der Schenkelspitze und die Dekonzentrierung bei zunehmender Flieûgeschwindigkeit danach erinnert an analoge Effekte im Verkehrsstau. Der beschriebene hydraulisch-bedingte Kurzschluss-Wasserçbertritt hat (geringe) Bedeutung im unteren U-Schenkel der Henleschleife, eine græûere fçr den Wasseraustausch zwischen absteigenden Schenkel des Nephrons und den begleitenden GegenstromBlutkapillaren (s. Abb. 6.13 f und Abb. 6.14). Gegenstrommultiplikation: Um Unterschiede in den osmotischen Werten zwischen zwei Ræhren, oder allgemein zwischen zwei Råumen, erst einmal herzustellen, kænnen Pumpen eingesetzt werden, die nicht Læsungswasser, sondern die gelæsten Teilchen ohne ihre Wasserhçllen çber die Wand transportieren. In stræmenden Systemen kænnen immer neue Teilchen an die Mçndungen der Pumpen herangefçhrt werden. Ist in einem U-Rohrsystem nur ein Schenkel, z. B. der rechte, aufsteigende Schenkel, mit einer Serie von Pumpen bestçckt (Abb. 6.13 e), werden die Pumpen in diesem Schenkel durch Hinausbefærdern der Teilchen nach und nach den osmotischen Wert der Læsung in diesem Rohrabschnitt senken, im Umfeld des Rohres jedoch "

6.3 Die Niere des Menschen

BOX 6.1 (Fortsetzung)

erhæhen. Die Leistungen der einzelnen Pumpen entlang des Rohres addieren sich. Wiederholte Addition ist Multiplikation. Der zunehmend geringer werdende osmotische Wert im betrachteten aufsteigenden rechten Schenkel kænnte Folgen haben, die vermieden werden sollten. Freies Wasser stræmte, dem Gradienten des Wasserpotentials folgend, aus diesem Rohrabschnitt zurçck in den linken Gegenschenkel mit seinem hohen osmotischen Sog, und auch çber die Rohrwand hinweg nach drauûen, triebe nicht der hydraulische Druck die Læsung unablåssig in die andere Richtung und wåre nicht die Wand des mit Pumpen bestçckten Rohrabschnittes wasserdicht gemacht. Wenn dank der Aktivitåt der Pumpen sich im Zwischenraum zwischen ab- und aufsteigendem Schenkel hohe Teilchenkonzentrationen akkumuliert haben und die Porositåt des absteigenden Schenkels es zulåsst, kænnen die herausgepumpten Teilchen per Diffusion wieder in das Rohrsystem zurçckkehren. Es kåme zu einem Kreislauf wie in Abb. 6.13 e dargestellt. In der Schenkelspitze herrschte der hæchste osmotische Wert, jedenfalls solange die Læsung stræmt. Der Konzentrierungseffekt wåre multiplikativ: Je mehr Pumpen am Werk wåren, desto hæher wåre der osmotische Wert in der Schenkelspitze.

6.3.8 Viele Substanzen und Ionen werden von Pumpen ins Blut zurçckgeholt; Wasser folgt osmotisch nach. Ein Gegenstromsystem erleichtert die Rçckfçhrung Ein groûer Teil der brauchbaren Materialien und des Wassers wird in den gewundenen proximalen und distalen Tubulusabschnitten (Convolute) ins Blut zurçckgefçhrt. Die Leistung ist beachtlich: ca. 700 g Kochsalz und 100 Liter Wasser pro Tag, das sind çber 50% des Wassers und des NaCl allein in diesem Abschnitt des Nephrons.

Die in Abb. 6.13 d und Abb. 6.13 e beschriebenen transitorischen Gegenstrom-Konzentrierungseffekte treten in der Niere auf, doch sind es nicht so sehr die beiden ab- und aufsteigenden Schenkel eines Nephrontubulus, zwischen denen der Austausch stattfindet: vielmehr steht ein Schenkel des U-færmigen Tubulus im Austausch mit einem gegenlåufigen Schenkel einer benachbarten, ebenfalls U-færmig verlaufenden Blutkapillare (Abb. 6.13 f, Abb. 6.13 g und Abb. 6.14). Das ermæglicht den Abtransport des Wassers und der Teilchen aus dem Nierengewebe und ihre Rçckfçhrung in den Blutkreislauf wie im Haupttext des Kap. 6 erlåutert. Osmotische Gradienten als Hilfsmittel. Mittels Serien von Pumpen kænnen hohe und bleibende osmotische Werte erzeugt werden, die ihrerseits zum Entzug von Wasser in einem benachbarten Raum fçhren kænnen. Ein semipermeables Rohr durch ein Bett von hohem osmotischen Wert gefçhrt, verliert Wasser. Die genannten Prinzipien kommen zur Geltung, wenn wir die Tubulusræhren çber die Henleschen Schleifen bis zum Ende der Sammelrohre verfolgen und untersuchen.

Im Primårharn befinden sich an Brauchbarem neben Glucose und Aminosåuren auch Natriumionen Na+. Diese Natriumionen treiben Symporter an, die parallel zu den Natriumionen auch Glucose und Aminosåuren erst einmal in die Epithelzellen der Tubuliwånde hineinpumpen (Abb. 6.11 a, b). Treibender Motor ist der Natriumgradient; dieser wird unterstçtzt durch eine elektrische Spannung; denn das Cytosol der Epithelzellen hat ein Potential von ± 70 mV gegençber dem Lumen des Nephronkanals. Um einen ausreichend hohen, ins Zellinnere gerichteten Na+-Gradienten und eine elektrische Spannung zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, besitzen die Epithel-

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Abb. 6.13 a±g. Gegenstrom-Austausch und Gegenstrom-Multiplikation. a, b und c zeigen als einfçhrende Modelle Wårmeaustauschsysteme. Das Gegenstrommodell b ist leistungsfåhiger als das gleichlaufende Austauschsystem a. In d±g sind Gegenstrommodelle dargestellt, die erklåren sollen, wie in der Henle-Schleife und zwischen Nierentubulus und Blutkapillaren Wasser- und Stofftransport vonstatten geht und im absteigenden Ast der Henle-Schleife ein vorçbergehender Anstieg des osmotischen Wertes zustande kommt. Beachte: Ebenso

wie ein Wårmeçbergang zwischen zwei Ræhren nur solange stattfindet, solange Wasser zu- und abflieût, ist eine zunehmende Konzentration im absteigenden Nierentubulus nur mæglich, wenn und solange Primårharn und Blut flieûen, also unter einem longitudinalen Stræmungsdruck stehen. Bei Stillstand kåme es im Tubulus und in der Kapillare zur Nivellierung aller Konzentrationsunterschiede, ebenso wie es im Wårmetauscher zur Nivellierung aller Temperaturdifferenzen kåme

6.3 Die Niere des Menschen

Abb. 6.14 a, b. Beteiligung von Osmose (a) an hydrostatischem Druck und aktivem Transport (b) an den Austauschvorgången zwischen Nephrontubulus und begleitender Blutkapillare. Zu b: Der vom Herzen erzeugte Blutdruck hat einen longitudinalen Vektor (Stræmungsdruck) und einen transversalen Vektor (Wanddruck). Diese Drçcke teilen sich auch dem Primårharn im absteigenden Schenkel der Henle-Schleife mit. Der Wanddruck låsst Wasser austreten, unterstçtzt von einer (leichten) osmotischen Druckdifferenz zwischen Primårharn im Tubu-

lus und Blut in der abfçhrenden Kapillare. Wåhrend der Primårharn im absteigenden Schenkel eine zunehmende Konzentrierung erfåhrt, erfåhrt das abfçhrende Blut durch den Wasserçbertritt eine Dekonzentrierung. Zuvor war im Kapillarblut eine hohe Konzentration an gelæster Substanz erzeugt worden, weil Pumpensysteme Substanzen vom wiederaufsteigenden Schenkel der Henle-Schleife herausgepumpt hatten und diese Substanzen çber die Zwischenråume (Interstitien) in die Blutkapillaren eindrangen

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

zellen in der basolateralen Membran viele Exemplare der elektrogenen Ionenpumpe Na+-K+-ATPase. Diese Pumpen schleusen zwar pro verbrauchtem ATP zwei K+ in die Zelle, werfen aber im Austausch 3 Na+ hinaus in die interstitiellen Råume; diese werden daher elektropositiv. Auch kehren K+-Ionen, getrieben von ihrem Diffusionsdruck, in das Interstitium zurçck und verstårken dessen elektropositive Aufladung. Chloridionen folgen wegen ihrer negativen Ladung durch parallele Kanåle nach (Elektrophorese). Die Natriumionen und die sie treu begleitenden Chloridionen gelangen, von ihrem Diffusionsdruck getrieben, in die Blutkapillaren, welche die Nephronkanåle in Gegenrichtung begleiten, dank ihrer hohen Porositåt keine Widerstandsbarriere darstellen und das NaCl schlieûlich abfçhren. Glucose und Aminosåuren werden çber eigene Translokatoren (Carrier) aus den Epithelzellen heraus ins Blut weitergeleitet. Diesen osmotisch wirksamen Materialien, Natrium- und Chloridionen, Glucose, Aminosåuren und anderen Substanzen mehr, folgen Wassermolekçle çber Wasserkanåle osmotisch nach. Das Blut, das in den begleitenden Blutkapillaren flieût, hat in der Rinden-nahen Region einen nur geringen osmotischen Wert; es herrschen annåhernd isotone Bedingungen. Da Primårharn und Blut stræmen, und dies auch noch in entgegengesetzter Richtung, bleiben Konzentrationsunterschiede zwischen Primårharn und abtransportierendem Blut trotz der laufenden Aktivitåt der Transportsysteme gering. Es muss nie entgegen einem Gefålle hinaufgepumpt werden. Neben dem Weg durch die Zellen der Nierenkanålchen hindurch gibt es im proximalen Tubulus noch einen ¹parazellulårenª Sonderweg. Die Schlussleisten (tight junctions) zwischen den Epithelzellen sind in diesem Abschnitt der Tubuli nicht eben dicht und lassen Wasser sowie im Wasser gelæste Elektrolyte zwischen den Zellen durch. Man spricht von solvent drag (Box K6; Abb. 6.11). Ûber diese Passage sollen vor allem die Anionen Chlorid und Phosphat und die Kationen K+, Mg++ sowie Ca++ vom Nephron zurçck ins Blut gefçhrt werden. Vieles erinnert an das, was wir in Kap. 4.10 çber Resorption im Darm erfuhren.

6.3.9 Im weiteren Verlauf des Tubulus mit seiner Henleschen Schleife werden noch mehr Ionen und Wasser zurçckgewonnen Bei der Rçckfçhrung von Wasser und Substanzen aus dem Primårharn in den Blutkreislauf kommen Gegenstromsysteme zur Geltung. Der Nierenphysiologe unterscheidet (mindestens) zwei Gegenstromsysteme. Das eine kommt im absteigenden, das andere im aufsteigenden Schenkel der Henleschleife zum Zuge. Gegenstromaustausch. Wasser tritt aus dem absteigenden Schenkel des Nephronkanals aus, und wechselt auf kurzem Weg in den aufsteigenden Ast der begleitenden Blutkapillare çber. Zwei Kråfte bewirken diesen Wasserfluss vom Nephronkanal in die benachbarte Blutkapillare: l

Umkehrosmose durch hydraulischen Druck. Auf dem Primårharn lastet noch der arterielle hydraulische Blutdruck, der im Glomerulus die Ultrafiltration besorgt hatte. In der Wasseraufnehmenden Blutkapillare hingegen ist der hydraulische Druck gering. Es ist dieselbe Blutkapillare, die im Glomerulus çber den Ultrafilter Wasser und Druck verloren hatte. Auf ihrem langen Umweg (s. Abb. 6.15) ist in ihr wegen des allgegenwårtigen Stræmungswiderstandes der Druck weiter abgefallen. Nun gewinnt diese Kapillare einen groûen Teil des verlorenen Wassers wieder zurçck. Der durch eine Druckdifferenz getriebene Wasserçbertritt hat (partiell) den Charakter einer Umkehrosmose (s. Abb. 6.12 b, Abb. 6.13 f und Abb. 6.14 a).

l

Wasserentzug durch osmotischen Sog. Das Blut der Kapillare hat, bevor es das herçberstræmende Wasser aufnimmt, einen hohen osmotischen Wert und saugt anfånglich Wasser auch osmotisch auf. Den hohen osmotischen Wert hatte das Kapillarenblut zuvor gewonnen, als es in der U-færmigen Kapillare das Nierenmark durchfloss. Die Blutkapillaren stehen nåmlich in offener Verbindung zum lockeren Gewebe, das im Bereich des Nierenmarks die

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Abb. 6.15. Basisfunktionen eines Nephrons und der begleitenden Blutgefåûe im Ûberblick

engen Spalten zwischen den Henleschleifen fçllt, summarisch als ¹Interstitiumª bezeichnet wird und selbst eine sehr hohe Osmolalitåt hat. Wie es zu diesem hohen osmotischen Wert im Mark kommt, wird weiter unten sowie in Box K6 unter dem Begriff ¹Gegenstrommultiplikationª erlåutert. Anders betrachtet: Der absteigende dçnnwandige Schenkel der Henleschen Schleife wird durch ein

Bett mit zunehmend hæherem osmotischen Wert gefçhrt. Da dieses Segment der Schleife semipermeabel ist, wird ihm osmotisch Wasser entzogen, wåhrend die gelæsten Teile im Tubulus verbleiben und zusammengedrångt werden. Das Bett des Nierenmarks ist nicht nur von den U-færmigen Henleschleifen, sondern auch von U-færmig verlaufenden Blutkapillaren, zu denen auch die soeben betrachtete gehært, durchzogen. In diese dringt das Wasser (mitsamt den im Interstitium

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durch Gegenstrommultiplikation hineingelangten, gelæsten Komponenten) ungehindert ein und wird in den Blutkreislauf zurçckgefçhrt. Schåtzungsweise 25% des Wassers wird çber diesen Weg zurçckgefçhrt. Durch die bisher beschriebenen Mechanismen wird viel Wasser vom Primårharn ins Blut zurçck verfrachtet. Bedingt durch diesen Wasserentzug steigt im absteigenden Nephronkanal die Konzentration der ¹harnpflichtigenª Substanzen und damit der osmotische Wert des Harns bis zum Wendepunkt des U-Schenkels an. Ist der osmotische Wert im Primårharn anfånglich ca. 300 mosmol/l, ist er nun auf ca. 1200 mosmol/l gestiegen. Zu klåren ist noch, weshalb das Blut der Wasser-aufnehmenden Kapillare anfånglich einen hæheren osmotischen Wert haben kann als der Primårharn. Das Blut muss auf dem Weg vom Glomerulus, wo es çber den Ultrafilter viele osmotisch wirksame Teilchen verloren hatte, bis zum hier betrachteten Abschnitt wieder osmotisch wirksame Teilchen aufgenommen haben. Dafçr ist Gegenstrommultiplikation zuståndig, die sich am und um den aufsteigenden Schenkel der Henleschleife abspielt. Gegenstrommultiplikation: Anders als im absteigenden Schenkel ist das Nephronepithel im aufsteigenden Schenkel der Henleschleife dick und wasserdicht. Die Epithelzellen enthalten viele Mitochondrien, und ihre Zellmembran ist mit vielen Pumpen bestçckt. Diese befærdern unter ATP-Verbrauch Na+, Cl±, NH+4 und weitere osmotisch aktive Teilchen aus dem Tubuluslumen hinaus in die Umgebung. Damit sinkt der osmotische Wert des Harns wieder auf den Ausgangswert von 300 mosmol/l und sogar darunter, aber nicht durch Zustrom von Wasser, sondern durch Entzug von Teilchen (Abb. 6.13 e, g, Abb. 6.14, Abb. 6.15). Da der Harn flieût, werden immer neue Teilchen herangefçhrt; trotzdem fållt im Harn der osmotische Wert ab, wenn er an den Pumpen vorbeiflieût, weil diese unaufhærlich arbeiten. Anders hingegen im umgebenden Raum, in den die Teilchen hineingepumpt werden: hier steigt die Osmolalitåt. Jede einzelne Pumpe wird nur eine ge-

ringe Differenz im osmotischen Wert zwischen Kanallumen und Umgebung erzeugen. Entlang des aufsteigenden Schenkels addieren sich jedoch die Leistungen der einzelnen Pumpen. Kumulative Addition ist Multiplikation. Der Nephronkanal ist auch hier von der Blutkapillare begleitet, und die Stræmungsrichtungen in beiden Ræhren sind einmal mehr entgegengesetzt. In den hier betrachteten Abschnitten hat folglich der multiplikative Effekt der Pumpen im Nephronkanal und in der Blutkapillare gegensåtzliche Wirkungen. Wåhrend im aufsteigenden Schenkel der Henleschleife der osmotische Wert sinkt, steigt er in der hier abwårts fçhrenden Blutkapillare an (Abb. 6.13 g; Abb. 6.14). Wenn sich die Blutkapillare dann nahe der Papillenspitze um 1808 wendet und wieder aufwårts fçhrt, hat sie den hohen osmotischen Wert, der, wie oben geschildert, einen osmotischen Sog auf den undichten absteigenden Schenkel der Henleschleife ausçbt. Ein gewisses Verståndnisproblem kænnte der in der physiologischen Lehrtradition gebrauchte Begriff des Interstitiums bereiten. Wåhrend Interstitium normalerweise nur Zellzwischenråume meint, ist in der Literatur der Nierenphysiologie das ganze Gewebe des Nierenmarks gemeint. Die Pumpen entlang des aufsteigenden Nephronkanals transportieren ihre Fracht nicht direkt in die begleitende Blutkapillare, sondern in das dçnne Zwischengewebe. Primår sind es schon die Zellzwischenråume, in denen das herausgepumpte Material akkumuliert und der osmotische Wert steigt. Diesem Anstieg muss auch der osmotische Binnenwert der Zellen folgen; denn in einem Milieu von 1200 mosmol/l kænnen sie ihren normalen Wert von 300±500 mosmol/l nicht halten. Wichtig ist jedoch, dass dieses Interstitium in offener Verbindung mit den Blutkapillaren steht. Substanzen dringen in die Kapillaren gemåû ihrem Diffusionsdruck. Die Blutkapillaren sind es, welche die herein diffundierenden Substanzen Richtung Nierenpapillen transportieren und damit einen osmotischen Gradienten im ganzen Nierenmark aufbauen, der an der Papillenspitze seinen hæchsten Wert erreicht. Wozu

6.3 Die Niere des Menschen

dieser Gradient gut ist, wird deutlich, wenn wir den letzten Abschnitt des Nephronkanals, das Sammelrohr, in die Betrachtung einbeziehen. 6.3.10 Im Sammelrohr wird der Harn erst zum Endharn, dessen Konzentration sich mit dem Wasserbedarf des Kærpers åndert Fassen wir zusammen (Abb. 6.15): Wåhrend dem absteigenden Schenkel der Henleschleife laufend Wasser entzogen und deshalb der Harn konzentriert wird, werden dem aufsteigenden Schenkel laufend Teilchen entnommen. Deren Konzentration nimmt folglich mehr und mehr ab, und wenn wir oben beim distalen Convolut ankommen, ist der Harn nahezu wieder mit dem Blut isoton. Diese Situation wird ausgenutzt, um hier wieder wie im proximalen Convolut Substanzen plus Wasser aktiv ins Blut hinçber zu befærdern, ohne dass hohe Konzentrationsunterschiede zu çberwinden wåren. Hier im distalen Convolut werden andererseits besonders viele der Substanzen, deren Clearancewert hoch ist, in den Tubulus sezerniert. Bis zum Ende des distalen Convolutes haben wir fast alle erwçnschten Substanzen ins Blut zurçckgeholt, und auch den græûten Teil des Wassers. Die Gesamtkonzentration des Harns, sein osmotischer Wert, ist aber in der Summe nicht gestiegen, weil beides, Wasser und osmotisch aktive Substanzen, dem Primårharn in gleichem Maûe entzogen worden sind. Die endgçltige Konzentrierung des Harns erfolgt im Sammelrohr. Dieses wird wieder durch das Bett des Interstitiums mit seinem hohen osmotischen Wert gefçhrt; Wasser wird osmotisch herausgesaugt. Die Durchlåssigkeit der Wand des Sammelrohrs ist variabel, sowohl fçr Wasser wie fçr einzelne gelæste Teilchen, und kann dem Bedarf angepasst werden. Drei Besonderheiten dieses finalen Nephronabschnittes seien erwåhnt: (1) Die Aquaporine des Sammelrohrs sind teilweise auch fçr Harnstoff passierbar. Harnstoffmole-

kçle geraten in eine Kreisbahn: vom Sammelrohr durch das ¹Interstitiumª in den noch nicht abgedichteten papillennahen U-Schenkel der Henleschleife (Abb. 6.15) und çber deren aufsteigenden Ast zurçck ins Sammelrohr. Dieser Harnstoffkreislauf soll maûgeblich zum osmotischen Gradienten im Nierenmark beitragen. (2) Entlang des Sammelrohrs wird noch aktiv gearbeitet. So wird von Glutamin, das von Blutkapillaren herangetragen wird und per Diffusion das Sammelrohr erreicht, NH3 abgespalten und im Kanallumen durch eingespeiste Protonen als NH+4 abgefangen (Abb. 6.15). Als solches kann es nicht mehr in den Kærper zurçck und erscheint neben Harnstoff (und etwas Harnsåure) als N-Entsorgungsprodukt im Endharn. (3) Die Wasserdurchlåssigkeit des Sammelrohrs kann erstaunlich rasch durch Synthese neuer Kanalproteine im Golgi-Komplex und deren Einbau in die Zellmembran erhæht, durch Endocytose vorhandener Kanalproteine erniedrigt werden. Dieser Turnover steht unter der Kontrolle eines Hormons, des ADH, wie im Abschnitt 6.4 erlåutert. 6.3.11 Die Niere leistet viel, warum kænnen wir trotzdem kein Seewasser trinken? Am Ende ist der Primårharn von 180 Litern/Tag reduziert auf ca. 0,5 bis 2 Liter/Tag. Der osmotische Wert des Endharns ist doppelt bis dreifach hæher als der des Blutes und kann mit 1400 mosmol/l die Werte des Mittelmeer-Seewassers erreichen. Von dieser Leistung her betrachtet mçsste der Mensch Seewasser trinken kænnen. Allerdings bråuchte die Niere ebensoviel Wassermolekçle, um das aufgenommene Seesalz (450 mmol/l Na+) wieder auszuscheiden, als das getrunkene Seewasser Wassermolekçle enthålt. 1 Liter Seewasser mit 1400 mosmol Salz ergibt, wenn die Osmolalitåt nicht çber 1400 mosmol/l gesteigert werden kann, eben 1 Liter Harnwasser. Ein Nettogewinn an Wasser wåre nicht mæglich. Nun ist es aber nicht nur Salz, das den osmotischen Wert des Harns be-

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

stimmt, sondern auch sein hoher Gehalt an Harnstoff. Etwa die Hålfte seines osmotischen Wertes geht auf Kosten des Harnstoffes und anderer ¹harnpflichtigerª Exkretstoffe. Fçr deren Entsorgung muss weiteres Læsungswasser aufgebracht werden, weil die Gesamtkonzentration an osmotisch wirksamen Teilchen im Harn nicht weiter erhæht werden kann. Um das Salz von 1 Liter Meerwasser und dazu auch noch Harnstoff loszuwerden, muss man mindestens 1,5 Liter Harn absondern. Durch Trinken von einem Liter Meerwasser gewinnt man kein Wasser, sondern verliert 0,5 Liter Flçssigkeit: man trocknet aus. 6.3.12 Bei Tieren bestimmt die Långe der Henleschen Schleife die erzielbare Wasserersparnis Die Leistungsfåhigkeit einer Niere kann durch Verlångerung der Henleschen Schleifen erhæht werden. Der Harn wird dann stårker konzentriert, Wasser wird gespart. Wçstennagetiere haben besonders lange Schleifen. Man macht sich den Effekt der Schleifenlånge durch die Vorstellung plausibel, dass entlang der Schleifen umso mehr Ionenpumpen unterzubringen sind, je långer die Schleifen sind. Sehr wahrscheinlich spielen aber auch rein physikalische Gegenstrom-Multiplikationseffekte eine Rolle, wie sie Craig modellmåûig fçr chemotechnische Systeme berechnet hat. 6.3.13 Die Niere braucht viel Sauerstoff und muss deshalb stets optimal durchblutet sein Sucht man nach der Quelle der Energie, die als Kraft den Rçcktransport der Glucose, der Aminosåuren, der Ionen und des Wassers bewerkstelligt, muss man seinen Blick auf die Na+-K+-ATPasen in den gewundenen Abschnitten der Nephronkanåle und die Pumpen im aufsteigenden Ast der Henleschleife werfen. Diese Ionenpumpen verbrauchen enorm viel ATP. Die epithelialen Wandzellen der Nephronkanåle sind mit vielen Mitochondrien bestçckt, und die Niere ist eines der Sauerstoff-bedçrftigsten Organe. Daher muss

sie stets optimal durchblutet sein: sie kann Unterversorgung messen und Regelsysteme zur Sicherung ihrer Durchblutung und im Bedarfsfall sogar zur Erhæhung der Erythrocytenzahl im Blut aktivieren.

6.4 Die Regelung der Nierenfunktion 6.4.1 Die Regelung der Nierenfunktion erfolgt çber lokale und çbergeordnete Kontroll- und Steuerungssysteme Die Leistungen der Niere mçssen vielfåltig geregelt werden, je nach dem Filtrationsdruck, den das Herz liefert, dem Volumen an Wasser, das wieder benætigt wird oder çberschçssig ist, und je nach der Menge der Substanzen, die ausgeschieden oder zurçckgeholt werden mçssen. Bei Ionen ist dabei auch ihr relatives Mengenverhåltnis zueinander sorgfåltig zu regeln, wenn z. B. Nerven- und Muskelzellen ordentliche elektrische Potentiale erzeugen sollen; denn die Niere regelt die ionale Zusammensetzung des Blutes und dieses tauscht sich mit der interstitiellen Flçssigkeit aus, die die Nerven- und Muskelzellen umspçlt. Ist beispielsweise der K+-Gehalt der Kærperflçssigkeit zu hoch oder der Mg2+-Gehalt zu niedrig, kann man Muskelkråmpfe bekommen. 6.4.2 Die Niere passt sich automatisch wechselndem Blutdruck an, um eine konstante Filtrationsrate aufrechterhalten zu kænnen Setzt man zum 100 m-Sprint an, steigt der Blutdruck sehr schnell an. Da die Filtrationsrate der Glomeruli eine Funktion des Blutdruckes ist, wåre beim Zieleinlauf die Blase çbervoll, håtte die Niere nicht entgegengesteuert. Die afferenten Blutkapillaren sind an der Eingangsstelle in die Glomeruli von kontraktilen Mesangialzellen, einem besonderen Typ glatter Muskelzellen, umgeben. Sie wirken nach verbreiteter Vorstellung als autoregu-

6.4 Die Regelung der Nierenfunktion

latorisches Ventil. Steigt der Blutdruck, werden die Blutgefåûe und mit ihnen die Mesangialzellen gedehnt. Die Dehnung læst direkt eine Erregung dieser glatten Muskelzellen aus, sie kontrahieren sich, verengen den Kapillarendurchmesser und halten so den Filtrationsdruck im Glomerulus konstant. Weitere regulatorische Zusammenhånge sind intuitiv leicht nachzuvollziehen: l

afferente Gefåûe der Glomeruli erweitert, efferente verengt ? glomulåre Filtrationsrate GFR erhæht

l

afferente Gefåûe der Glomeruli verengt, efferente erweitert ? GFR erniedrigt

Eine neu ins Feld gefçhrte Hypothese meint, die Podocyten der Glomeruli wçrden aktiv die Maschenweite der Ultrafilter verstellen kænnen und so die Filtrationsrate regulieren. Wie auch immer, die Niere hat betråchtliche Probleme zu bewåltigen, um den oftmals widersprçchlichen Anforderungen gerecht zu werden. Bei Blutverlust beispielsweise muss die Filtrationsrate gesenkt werden, nichtsdestotrotz eine starke Durchblutung des Nierengewebes gewåhrleistet bleiben. Die Niere ist stark durchblutet, und sie muss stets gut durchblutet bleiben; denn ihre Ionenpumpen haben viel zu arbeiten. Die Zellen der Nierentubuli sind voll von Mitochondrien. Sie fordern viel Sauerstoff und Glucose an. Gåbe es fçr das Blut nur den Weg durch die Glomeruli, wåre beim Verschluss der Eingangsventile die Versorgung der Nierenzellen gefåhrdet. Bypass-Kapillaren eræffnen im Bedarfsfall eine Umgehung der Glomeruli. Weiteres zur Druck- und Durchblutungsregelung im folgenden Abschnitt. 6.4.3 Ein juxtaglomulårer Apparat kontrolliert vermutlich die Harnzusammensetzung Bevor die Nephronkanåle ins Sammelrohr geleitet werden, werden sie in einer groûen Schleife an den Glomerulus herangefçhrt. Dort, wo der Nephronkanal engen Kontakt zum Kapillarenge-

flecht des Glomerulus hat, sind die Epithelzellen der Kanalwand besonders dicht gedrångt und hoch. Dieses Segment des Nephronkanals wird Macula densa genannt (Abb. 6.16). Die Macula hat lateral engen Kontakt zu granulierten Epitheloidzellen (oder epitheloide Granulazellen). Macula und Granulazellen bilden zusammen den juxtaglomulåren Apparat JGA. Es wird vermutet, dass in diesem Bereich der osmotische Wert des Harns und seine ionale Zusammensetzung kontrolliert werden. Jedenfalls entlassen die Granulazellen die Signalsubstanz Renin, wenn beispielsweise zuviel Na+ verloren zu gehen droht. 6.4.4 Das Renin-Angiotensin-System kontrolliert den allgemeinen Blutdruck und die allgemeine Nierenleistung Hier treffen wir auf ein Regelungssystem, das çber die Niere hinausgreift. Es sind hormonartige Signalsubstanzen beteiligt, die in der Blutbahn verteilt werden (Abb. 6.16). Die Funktionsweise des Systems sei an einem Einzelbeispiel erlåutert. Wir sind verletzt und verlieren viel Blut. Unser Blutdruck sinkt dramatisch ab. Jetzt heiût es einerseits den Blutdruck hochzuregeln, damit die lebensnotwendige Blutversorgung des Gehirns gewåhrleistet bleibt. Andererseits darf mit dem wieder gestiegenen Blutdruck nicht auch die glomerulåre Filtrationsrate steigen, sonst verlæren wir noch mehr Kærperflçssigkeit. Der dramatische Blutdruckabfall stimuliert die Granulazellen des JGA, Renin ins Blut zu entlassen. Renin ist insofern ein ungewæhnliches Hormon, als es eine Protease, also ein Enzym ist. Renin trifft im Blut auf ein ståndig zirkulierendes, in der Leber produziertes Protein, das Angiotensinogen. Durch Abspaltung eines Peptids macht Renin aus Angiotensinogen das Angiotensin I. In verschiedenen Kærperregionen (z. B. in der Lunge) haftet auf den Zellen des ærtlichen Gewebes ein weiteres proteolytisches Enzym, das Converting-enzyme. Es nimmt sich das Angiotensin vor und fertigt daraus das definitive Oktapeptid Angiotensin II.

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

Abb. 6.16. Steuerung und Regelung von Nierenfunktionen im Ûberblick

6.4 Die Regelung der Nierenfunktion

Angiotensin heiût Blutgefåûe-anspannend. Der Name deutet seine Funktion an: es veranlasst Blutgefåûe, sich zu kontrahieren. Im Kærper steigt der allgemeine Blutdruck. In der Niere wird die Blutzufuhr gedrosselt. Die afferenten Kapillaren der Glomeruli verengen sich, nicht aber die efferenten. Die glomerulåre Filtrationsrate GFR sinkt. Zugleich wird vermutlich durch die Podocyten die effektive Porenweite des Ultrafiltrationsapparates reduziert. 6.4.5 Weitere Hormone, wie Adiuretisches Hormon ADH, Aldosteron und ein Herzhormon greifen ein Auch die Effektivitåt der Ionenpumpen entlang der Nierentubuli und die Wasserdurchlåssigkeit ihrer Wandungen sind variabel und steuerbar. Wenn wir einen gesalzenen Speiseplan lieben und zuviel Kochsalz in unsere Suppe streuen, steigt der osmotische Wert des Blutes; es nimmt Wasser auf, der Blutdruck steigt. Die Herzvorkammer (Atrium) wird çbermåûig gedehnt. Sie sendet Natriuretische Peptidhormone (wie es auch noch andere Organe tun), und stimuliert dadurch die Ausscheidung von Kochsalz in der Niere. Besser bekannt, und in seiner Funktion lebenswichtig, ist das Hormon der Neurohypophyse Adiuretin (Anti-diuretisches Hormon ADH, auch Vasopressin genannt). Es sorgt dafçr, dass nicht soviel Wasser verloren geht (A = nicht, gegen; Diurese = Harndurchlauf). Unterstçtzt wird ADH durch ein Steroidhormon, das von der Nebennierenrinde geliefert wird: Aldosteron (Abb. 6.16). Aldosteron soll besonders die Transportsysteme in den Convoluten beeinflussen. ADH regelt die Wasserdurchlåssigkeit der Sammelrohre. Stimuliert durch ADH bauen die Epithelzellen der Sammelrohre mehr Aquaporine in ihre Zellmembran ein und werden dadurch stårker wasserdurchlåssig. Das Wasser im Lumen der Kanåle wird weitgehend widerstandsfrei und deshalb rasch osmotisch ins Interstitium und weiter in die Blutgefåûe abgesaugt. Geht hingegen die ADH-Signalstårke zurçck, verkçrzt sich die Úffnungszeit der Aquaporine und es werden gar

Aquaporine per Endocytose aus der Kanalwand entfernt: Die Wånde der Sammelkanåle werden weitgehend dicht und mehr Harnwasser rinnt ins Nierenbecken. Bei ADH-Mangel gar låuft das Wasser durch die dichten Kanåle vollståndig ab. Es kommt zur Diurese ± zum Harndurchlauf. Man verliert viel Wasser, bis zu 24 Liter pro Tag (Diabetes insipidus). Man muss Tag und Nacht trinken ± aber es sollte Wasser sein! 6.4.6 Warum Alkohol durstig macht: Hemmung der ADH-Sekretion Mancher Leser mag es selbst schon erfahren haben: Nach reichlich Alkoholkonsum bekommt man Durst, Durst nach Wasser. Dabei hatte doch der Liter Landwein 900 ml Wasser, und die 100 ml Ethanol des Getrånks liefern bei ihrer vollståndigen Verbrennung in der Leber auch noch einige ml H2O dazu. Die einzige Erklårung, die dem Autor dieses Buches begegnete, ist die: Alkohol hemme die Sekretion des Hormons ADH aus der Neurohypophyse; die Wasserrçckresorption in der Niere sei verringert, man verliere ± åhnlich wie beim Diabetes insipidus ± zuviel Wasser. Eigene Nachprçfung nicht empfohlen! 6.4.7 Mit dem Hormon Epo sorgt die Niere bei Bedarf fçr eine Verbesserung ihrer Sauerstoffversorgung Die Niere ist ein ganz besonders Sauerstoff-bedçrftiges Organ. Bei lang anhaltender Blutarmut oder in der Hæhenluft des Gebirges kann sie unter Sauerstoffmangel leiden. Dann sendet sie den hormonalen Wachstumsfaktor Erythropoietin (Epo) aus, der im Knochenmark Erythroblasten zur verstårkten Teilung anregt. Epo ist als vielbenutztes Dopingmittel von Leistungssportlern in die Diskussion und in Verruf geraten. Aus den zur Teilung angeregten Erythroblasten werden Erythrocyten, rote Blutkærperchen. Damit steigt die Sauerstoffspeicherkapazitåt des Blutes. Die Funktion der Erythrocyten bei der O2-Versorgung des Kærpers ist Thema des nåchsten Kapitels.

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6 Entsorgung und Wasserhaushalt: die Niere

Zusammenfassung des Kapitels 6 Mit Exkretion wird nach alter Tradition primår die Entsorgung von Stoffwechselendprodukten, insbesondere von Stickstoff-haltigen Produkten, verstanden. Solche fallen çberall im Kærper an und kænnen çber verschiedene Organe wie Epithel der Kærperoberflåche, Kiemen, Darm oder Nephridialorgane ausgeschieden werden. Nach dem wichtigsten Endprodukt, das den Kærper verlåsst, unterscheidet man l

Ammoniotelische Exkretion mit Ammoniak (NH3/NH+4 ) als Endprodukt, der von massearmen Wassertieren unmittelbar ins Umgebungswasser ausgeschieden wird;

l

Uricotelische Tiere: Reptilien, Vægel und Insekten mit +/± trockener, kristalliner Harnsåure als Ausscheidungsprodukt;

l

Ureotelische Tiere mit Harnstoff als Endprodukt, der mit Harnwasser (Urin) ausgeschieden wird.

Weitere håufige Stickstofftråger, die teils ausgeschieden, teils gespeichert werden, sind Allantoinsåure, Kreatinin (auch in Såugern), Pteridin, Guanin (in Arthropoden) und Trimethylaminoxid (in vielen Meeresorganismen). Im Såuger sind Alanin und Glutamin transitorische Stickstofftråger zur Leber hin, die Harnsåure (wenig) und Harnstoff als Endprodukte herstellt. Deren finale Entsorgung wird der Niere çberantwortet; denn Harnstoff kann nur mit Læsungswasser ausgeschieden werden. Hauptfunktion der Niere ist es, den Wasserhaushalt des Kærpers und die ionale Zusammensetzung der Kærperflçssigkeit zu regeln. Die Funktionseinheit der Niere ist das Nephron; hiervon enthålt die Niere des Menschen 1±2 Millionen. Der Anfangsteil eines Nephrons, der Glomerulus, liegt in der Nierenrinde. Er ist von Blut durchstræmt. Mit seinem dreilagigen Filter aus perforiertem Endothel, Basalmembran und Podocytenbelag wirkt der Glomeru-

lus als Ultrafilter, durch den mit dem hydraulischen Druck des arteriellen Blutes Blutplasma mitsamt all seinen Salzionen und niedermolekularen Substanzen als Primårharn in den Auffangbecher der Bowmankapsel abgepresst wird. Pro Tag werden in der Summe 180 Liter Plasma mit 15 kg Salz abfiltriert. Aus dem Nephronkanal (Nephrontubulus), der an den Auffangbecher angeschlossen ist, werden jedoch gebrauchte Substanzen wie Glucose, Aminosåuren, NaCl und fast alles Wasser wieder zurçck ins Blut befærdert. Die Rçckfçhrung låuft çber jene Blutkapillare, die im Ultrafilter den Primårharn verloren hatte, danach aber den Nephronkanal begleitet, um von ihm Brauchbares zurçckzuerhalten und in den Blutkreislauf abzufçhren. ¹Harnpflichtigeª Substanzen wie Harnstoff verbleiben im Nephronkanal und gelangen in konzentrierter Læsung von ca. 1,5 l/Tag als Endharn ins Sammelgefåû des Nierenbeckens. Die Menge an Blut, die letztlich pro Zeit von einer bestimmten Substanz befreit wird, ist der in der medizinischen Diagnostik bedeutsame Clearancewert fçr diese Substanz. Der Nephronkanal gliedert sich in einen gewundenen proximalen Teil, eine lange haarnadelfærmige Henleschleife, einen distalen gewundenen Teil und ein Sammelrohr, das ins Nierenbecken mçndet. In den gewundenen Abschnitten transportieren zahlreiche, von einem Na+-Gradienten getriebene Symporterpumpen gemeinsam Na+ und Glucose, sowie Na+ und Aminosåuren in die Epithelzellen des Nephronkanals. Von diesen werden Na+-Ionen mittels der Na+-K+-ATPase, Glucose und Aminosåuren mittels Carrier weiter hinçber in die Blutkapillare geleitet, welche die hereintransportierten Substanzen im Gegenstrom ab- und in den Blutkreislauf zurçck fçhrt. Den osmotisch aktiven gelæsten Teilchen folgen çber Aquaporine freie Wassermolekçle nach, getrieben vom hydraulischen Druck des Primårharns und ihrem eigenen Diffusionsdruck (Wasserpotential). In

6.4 Die Regelung der Nierenfunktion

den Henleschleifen kommt es zu weiteren Rçckfçhrungen. Der semipermeable, absteigende Schenkel der Henleschleife wird durch ein Bett (Nierenmark, ¹Interstitiumª) mit hohem osmotischem Wert gefçhrt, wo ihm weiteres Wasser osmotisch entzogen wird. Im folgenden aufsteigenden, wasserdichten Schenkel werden andererseits dem Primårharn mittels ATP-getriebener Pumpen gelæste Teilchen entnommen. Diese werden ins umgebende ¹Interstitiumª gepumpt. Dank der Aktivitåt vieler Pumpen und des Gegenstroms in den Blutkapillaren (Gegenstrommultiplikation) baut sich im Nierenmark ein osmotischer Gradient auf mit Hæhepunkt nahe den Papillen, wo die Sammelrohre ins Nierenbecken mçnden. Der hohe osmotische Wert (= das stark negative Wasserpotential) dieses Gradienten entzieht nicht nur den absteigenden Henleschleifen, sondern auch den Sammelrohren Wasser, und es wird letztendlich eine Endharnkonzentration von 1200 mosmol/l erreicht, was dem Wert von Meerwasser entspricht. Es wird diskutiert, warum wir trotz dieser Konzentrierleistung bei Verdurstungsgefahr kein Meerwasser trinken dçrfen. Ferner werden Regelungssysteme besprochen, welche

auch bei wechselndem Blutdruck eine gleich bleibende Glomerulåre Filtrationsrate GFR ermæglichen. Im juxtaglomerulåren Apparat werden Blutdruck und die ionale Zusammensetzung von Harn und Blut kontrolliert und bei Sollwertabweichungen Gegenmaûnahmen eingeleitet. Bei plætzlich erhæhtem Blutdruck sichert die autoregulatorische Verengung eines Ventils fçr die arterielle Blutzufuhr eine gleich bleibende GFR. Bei starkem Blutverlust læst ein stark abgefallener Blutdruck çber das ReninAngiotensin-System ein Hochregulieren des allgemeinen Blutdrucks doch eine Drosselung der GFR aus. In die Kontrolle der ionalen Zusammensetzung greift das Nebennierenrindenhormon Aldosteron ein. Der Wasserrçcktransport wird dem Bedarf angepasst çber das Hypophysenhormon ADH (Anti-diuretisches Hormon = Vasopressin), das die Zahl der Aquaporine in den Sammelkanålen und damit den Wasserrçckfluss steuert. In der Box K6 werden fçr das Verståndnis der Nierenphysiologie wichtige physikalische Vorgånge nåher erlåutert: Osmose, Umkehrosmose, Dialyse, Gegenstrom-Austausch und Gegenstrommultiplikation. Deren Bedeutung ist jedoch nicht auf die Niere beschrånkt.

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Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte Beseitigung von verbrauchten Kærperzellen, hæhermolekularen Fremdstoffen und von Infektionskeimen

7.1 Entsorgung gealteter Zellen 7.1.1 Die Lebensdauer vieler Kærperzellen ist viel kçrzer als die Lebensdauer des gesamten Organismus; der Umsatz an manchen kurzlebigen Zellen ist riesig Lebensspanne der Blutzellen als Beispiele: l

Neutrophile Granulocyten 7±14 Stunden,

l

Makrophagen 5±7 Tage,

l

Erythrocyten, die roten Blutkærperchen, besitzen keinen Kern mehr. Ihre Lebensdauer ist auf ca. 120 Tage beschrånkt. Nachschub liefern die Stammzellen des Knochenmarks. Man macht sich wohl kaum eine rechte Vorstellung çber die Umsatzrate. Pro Sekunde werden 6 Millionen neue Erythrocyten geboren, pro Sekunde mçssen 6 Millionen gealterte entsorgt werden. 7.1.2 Die lymphatischen Organe, allen voran die Milz, fangen verbrauchte Blutzellen ab; Makrophagen in der Milz fressen sie auf

Gealterte Erythrocyten und andere Blutzellen werden in der Milz durch ein netzfærmiges Sieb abgefangen (Fachausdruck: sequestriert). Makrophagen, die sich wie die çberwåltigende Mehrheit aller ¹weiûen Blutkærperchenª gar nicht im Blut aufhalten, sondern in den lymphatischen Organen (Milz, Lymphknoten, Mandeln, Thymus), warten schon auf ihre Opfer. Sie fallen çber die

çberalterten und abgestorbenen Zellen her und fressen sie schlichtweg auf. Damit sind diese entsorgt. Makrophagen sind gefråûig. Sie sind nicht nur Kannibalen, die kærpereigene Zellen entsorgen. Sie fressen auch Bakterien und andere Fremdpartikel, derer sie habhaft werden kænnen. Damit sind sie Teil des Abwehrsystems (s. Kap. 7.3).

7.2 Angeborene Abwehrsysteme auf der Basis eines in der Evolution erworbenen Wissens 7.2.1 Die Immunologie unterscheidet: 1. angeborene, nichtadaptive Immunsysteme, die jedes Lebewesen in dieser oder jener Form besitzt, und 2. das adaptive, lernfåhige Immunsystem, das nur die Wirbeltiere zur Verfçgung haben Alle Organismen, insbesondere so wehrlos erscheinende wie festsitzende Pflanzen, Schwåmme, Coelenteraten, Tunikaten etc., haben Milliarden von Jahren nur çberdauern kænnen, weil sie erfolgreich pathogene Infektionskeime (Viren, Bakterien, Pilze) und Parasiten (Einzeller, vielzellige tierische Parasiten) abzuwehren verstanden. Eine unspezifische Abwehr basiert auf physikalischen Barrieren (Zellwånde, Cuticula, hochviskoser Schleim). Darçber hinaus haben wohl alle Organismen ein Wissen erworben, wie man gegen Pathogene und Parasiten, mit denen man seit Jahrtausenden und Jahrmillionen zu tun hat, vorgehen kann, um sie abzutæten oder doch wirksam in Schranken zu

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

halten. Solche Abwehrmechanismen werden oftmals ± nicht eben angemessen ± ebenfalls als ¹unspezifischª klassifiziert, obwohl sie gezielt gegen fremde Eindringlinge gerichtet sind, Kærpereigenes hingegen verschonen. Da solche Abwehrsysteme auf Wissen basieren, das im Zuge der Evolution erworben wurde und im Genpool verankert ist, werden solche Systeme ± besser ± auch als angeboren bezeichnet. Gezielte Abwehrmechanismen setzen voraus, dass Eindringlinge als fremd erkannt werden.

und exklusive Phospholipide wie Cardiolipin. Grampositive Bakterien haben in ihrer Hçlle als Komponenten Lipoteichinsåure und das Peptidoglykan Murein. Pneumokokken, potentielle Verursacher einer Lungenentzçndung, haben eine Polysaccharidkapsel artspezifischer Zusammensetzung. l

Man kann im Verlauf der Evolution durchaus ¹Wissenª erwerben çber solche Kennzeichen.

7.2.2 Fremdes wird an charakteristischen molekularen Oberflåchenstrukturen als fremd erkannt Vom Menschen wissen wir, dass seine Kærperzellen auf ihrer Oberflåche besondere Kennzeichen tragen, die fçr den Tråger dieser Kennzeichen charakteristisch sind (Histokompatibilitåts-Antigene). In der Regel haben allenfalls unsere nåchsten Verwandten gleiche Kennzeichen. Wir werden darauf im Abschnitt 7.3 zurçckkommen. Aber auch Wirbellose kænnen mit besonderen individualspezifischen Oberflåchenmolekçlen ausgestattet sein, die eine Unterscheidung von Selbst und Nichtselbst erlauben (s. Kap. 7.10). Es ist jedoch keinesfalls immer notwendig, dass die kærpereigenen Zellen besondere Histokompatibilitåts-Molekçle tragen, damit NichtKærpereigenes als fremd erkannt werden kann. Viren, Bakterien und Pilze, die in den Kærper eindringen, kænnen nicht selten durch die Besonderheit ihrer molekularen Oberflåchenausstattung erkannt werden. Viele mikrobielle Eindringlinge besitzen in ihrer åuûeren Hçlle Molekçle, die in tierischen Zellen nicht vorkommen. l

Viren haben in ihrer ¹gestohlenenª Eukaryontenmembran virale Spikeproteine inseriert, mit denen sie an neue Wirtszellen andocken kænnen.

l

Gramnegative Bakterien, so auch viele darmbewohnende Bakterien wie Escherichia coli, haben in ihrer åuûeren Membran bestimmte charakteristische Lipopolysaccharide (LPS)

Pilze haben in ihrer Zellwand auûer Chitin auch pilzspezifische b-1,3-Glucane.

7.2.3 Nahezu universell vorkommende Erkennungsund Abwehrsubstanzen sind antimikrobielle Lektine, Peptide und Enzyme Um mikrobielle Infektionskeime identifizieren zu kænnen, benutzen vielzellige Lebewesen, Pflanzen wie Tiere, Wirbellose wie Wirbeltiere, Lektine (Lectine). Das sind Proteine, die bestimmte Kohlenhydratstrukturen mit hoher, spezifischer Affinitåt binden und so ¹erkennenª. Mittels Lektinbindung kann die Anwesenheit von b-1,3-Glucan und damit von parasitischen Pilzen wahrgenommen werden. Mittels Lektinbindung kann die Anwesenheit von LPS, und damit von gramnegativen Bakterien erkannt werden. Ein anderes Lektin (C-reaktives Protein) haftet an Pneumokokken. Ist ein Bakterium mit Lektin beschichtet (Fachausdruck: opsonisiert), werden unverzçglich verschiedene Abwehrmaûnahmen getroffen. Im ganzen Tierreich weitverbreitete Abwehrreaktionen sind l

Phagocytose der Eindringlinge durch Makrophagen-åhnliche Phagocyten (çbersetzt: Fresszellen). Phagocyten haben eine Kollektion von Rezeptoren (¹pattern recognition receptors PRRª genannt), mit denen sie die Anwesenheit fremder Eindringlinge selbst wahrnehmen kænnen, oder nach deren Beschichtung mit Lektinen (oder, in Wirbeltieren, mit Antikærpern).

7.2 Angeborene Abwehrsysteme auf der Basis eines in der Evolution erworbenen Wissens l

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Freisetzen von aggressiven Enzymen. Eine nahezu universell vorkommende Enzymfamilie, mit der man die Zellwand vor allem grampositiver Bakterien auflæsen kann, sind die Lysozyme. Solche Enzyme sind in unserem Kærper in der Trånenflçssigkeit, im Speichelsaft und anderen Sekreten nachzuweisen. Sie kommen auch im Eiklar des Hçhnereis vor. Aktivierung einer Prophenoloxidase (PO). Dieses Abwehrsystem ist zwar im Såugeorganismus nicht am Werke, sonst aber im Tierreich ebenfalls weitverbreitet. Es ist vor allem als wichtiges Abwehrsystem der Insekten bekannt geworden. Das Enzym PO leitet eine Kaskade von Reaktionen ein, mit dem Eindringlinge unschådlich gemacht werden, indem diese unentrinnbar eingekapselt werden (s. Abschnitt 7.10.1). Aktivierung eines Komplementsystems. Ein Komplementsystem besteht aus einer Kaskade von enzymatischen Reaktionen åhnlich dem Blutgerinnungssystem, an deren Ende jedoch nicht Dichtungsmaterial zum Verschluss von Wunden, sondern tædliche Waffen hergestellt werden. Ausgelæst durch das Ankoppeln von Lektin an die Oberflåche eines Eindringlings beginnt eine Gruppe zuvor schlummernder Proenzyme sich wechselseitig zu aktivieren. Eine Schlçsselfunktion kommt dabei dem Protein C3/C5-Konvertase zu, das in homologer Form bei Wirbellosen und Wirbeltieren gefunden wird. Am Ende der Kaskade entstehen Porine, das sind Proteine, die in die Zellmembran des Eindringlings eintauchen und dort Poren bilden. Der Eindringling wird tædlich durchlæchert. Bei Wirbeltieren kann eine solche Reaktion auch durch Antikærper ausgelæst werden (sog. klassische Aktivierung; s. Abb. 7.8). Weit verbreitet, von den Schwåmmen bis zum Menschen, ist die Produktion toxischer, antimikrobieller Peptide. Manche dieser Peptide tauchen åhnlich den Porinen des Komplementsystems in die Zellmembran fremder Zellen ein und bilden dort tædliche Poren oder verursa-

chen die Desintegration der Membran. Beide Mechanismen fçhren zur Lyse der Zellen. l

Pflanzen und wirbellose Tiere haben vielerlei weitere antimikrobielle und antivirale Substanzen mit zum Teil abenteuerlicher chemischer Struktur erfunden. Das Potential solcher Substanzen fçr den medizinischen Einsatz ist noch kaum genutzt, ja es dçrfte çberhaupt erst ein winziger Bruchteil solcher Stoffe aufgespçrt worden sein. 7.2.4 Eine ¹unspezifischeª Immunitåt hat den Vorteil, rasch verfçgbar zu sein, aber den Nachteil, nicht schnell auf Neues reagieren zu kænnen

Die bisher bei Wirbellosen gefundenen Abwehrsysteme basieren (ausschlieûlich?) auf genetisch çberkommenem, also ¹angeborenemª Wissen. Vorteil. Schon vor einem Erstkontakt mit dem Pathogen ist der Organismus fçr einen Abwehrkampf gerçstet. Man nennt solche Schutzsysteme, nicht eben glçcklich, ¹unspezifischª, wiewohl beispielsweise Lysozym spezifisch die Zellwand grampositiver Bakterien angreift (aber eben aller grampositiven Bakterien). Nachteil. So vielfåltig das Spektrum solcher Substanzen sein mag, es treten doch immer wieder neue Pathogene oder neue Varianten von Pathogenen auf. Wenn nun ein Organismus mit einem neuartigen Pathogen konfrontiert wird, wird er nur in seltenen Glçcksfållen schon eine Abwehrmæglichkeit zur Verfçgung haben. Meistens wird es zu einer Kalamitåt kommen: die Wirtspopulation bricht zusammen. Gelingt es nicht, mit den Mechanismen der Evolution sich neues, passendes Wissen zu erwerben, wird die Art aussterben oder nur in pathogenfreien Exklaven çberleben. Demgegençber hat sich bei Wirbeltieren ein System des Immunitåtserwerbs entwickelt, das schon wåhrend des Individuallebens lernen kann.

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

a Abb. 7.1 a. Zellen des Blutes und ihre Zuordnung zum angeborenen oder adaptiven (lernfåhigen) Immunsystem (aus Mçller u. Hassel: Entwicklungsbiologie, 4. Aufl. 2006). Die Stammzellen befinden sich im Knochenmark

7.2 Angeborene Abwehrsysteme auf der Basis eines in der Evolution erworbenen Wissens

Im angeborenen System haben besondere Bedeutung Phagocyten, die im Blut, in den lymphatischen Organen (Abb. 7.1), aber auch in vielen anderen Geweben vorkommen. Professionelle Phagocyten sind die

b Abb. 7.1 b. Organe des Immunsystems. Der sehr vereinfacht dargestellte Lymphknoten steht Modell auch fçr die Milz

7.2.5 Auch bei Vertebraten gibt es ein so genanntes ¹unspezifischesª Abwehrsystem, das freilich recht spezifisch reagiert Auch bei Vertebraten gibt es ein ¹unspezifischesª Abwehrsystem, das auf dem genetisch çberkommenen Wissen basiert, wie man mit altbekannten Pathogenen und Parasiten fertig werden kann. Die Immunologen unterscheiden heutzutage zwischen 1. dem ¹unspezifischenª, besser angeborenen (innate), rasch reagierenden Immunsystem und 2. dem ¹spezifischenª, besser adaptiven oder lernfåhigen Immunsystem, das jedoch nur mit einer Verzægerung von 3±4 Tagen reagiert.

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Monocyten = Makrophagen und die

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neutrophilen Granulocyten = Mikrophagen, die zwar nicht græûere Partikel verspeisen, wohl jedoch Makromolekçle per Pinocytose aufnehmen kænnen und sich çberwiegend in den lymphatischen Organen aufhalten, zu Aggregaten gruppiert.

Makrophagen, die sich andernorts niedergelassen haben, tragen aus Tradition verschiedene Namen: Histiocyten im Bindegewebe, Mikroglia im Gehirn, Kupffer-Zellen in der Leber. Weitere Zellen mit phagocytischer Funktion sind die dendritischen Zellen, die ebenfalls sowohl in den lymphatischen Organen gefunden werden wie auch andernorts, beispielsweise als Langerhans'sche Zellen in der Haut (nicht zu verwechseln mit den Hormone produzierenden Langerhans'schen Inseln des Pankreas). Makrophagen bewåhren sich in mancherlei Weise bei der Entsorgung des Kærpers von Unerwçnschtem. Sie beseitigen durch Phagocytose gealterte Erythrocyten und greifen bisweilen auch Tumorzellen an. Bei dieser Attacke sezernieren sie ein cytotoxisches Protein, genannt Tumor-Nekrose-Faktor TNF. Dann gehen sie mit Eifer ans Werk, Bakterien zu vernichten. Makrophagen haben in ihrer Zellmembran Proteine (pattern-recognition receptors), die bestimmte Gruppen von Bakterien binden und damit ¹erkennenª kænnen. Gebundene Bakterien werden aufgefressen oder anderweitig vernichtet. Makrophagen haben ein groûes Arsenal chemischer Waffen zur Verfçgung, um fremde Zellen intrazellulår oder auch extrazellulår abzutæten, wie Sauerstoffradikale und aggressive Enzyme. Das Erkennen von Mikroben wird erleichtert, und ihre Schmackhaftigkeit gesteigert, wenn sie opsonisiert, d. h. mit einer ¹Butterschichtª çber-

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

zogen sind. Als Opsonisierungsmittel dienen u. a. Lektine, das sind Proteine, welche die Kohlenhydrat-Komponente von Glykoproteinen (Mannose/ Fucose/N-Acetylglucosamin-Anteile) binden. Es gibt indes bei Makrophagen einen nahtlosen Ûbergang zum ¹spezifischenª, lernfåhigen Immunsystem. Auch Antikærper der IgG-Klasse wirken opsonisierend. Wenn Fremdmaterial mit Antikærpern beschichtet ist, bleibt es an den Phagocyten hången; denn die Phagocyten, namentlich die Makrophagen, haben Rezeptoren fçr opsonisierende Molekçle. Sie haben beispielsweise Rezeptoren fçr die Stiele der Antikærper (konstante Abschnitte, Abb. 7.3), die wie Igelstacheln vom opsonisierten Fremdmaterial abstehen. Somit kommen den Phagocyten die besonderen Leistungen des spezifischen Immunsystems zugute, das ihnen hilft, auch solche Pathogene als fremd zu erkennen, çber deren besondere Kennzeichen sie selbst keine eigene Kenntnis haben.

7.3 Das lernfåhige Immunsystem der Vertebraten 7.3.1 Das lernfåhige Immunsystem basiert auf den Lymphocyten; den B-Zellen wird in vielen Lehrbçchern ein ¹humoralesª, den T-Zellen ein ¹zellulåresª Immunsystem zugeordnet Lymphocyten entstehen in der fætalen Leber und spåter, nach der Geburt, im Knochenmark aus denselben Stammzellen (håmatopoietische Stammzellen), die auch die anderen Zellen des Blutes (Erythrocyten, Granulocyten, Makrophagen) produzieren. Aus den Stammzellen gehen die noch teilungsfåhigen Lymphoblasten hervor, aus diesen die noch unreifen Lymphocyten. Diese verlassen das Knochenmark, lassen sich im Blutstrom treiben und besiedeln dann lymphatische Organe. Wichtige lymphatische Organe sind der l

Thymus, wo sich vor allem T-Zellen (daher heiûen sie auch T-Zellen) vorçbergehend niederlassen, und die

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Lymphknoten, wo sich vor allem die B-Zellen ansiedeln. Bei Vægeln ist das Øquivalent der Lymphknoten die Bursa fabricii, die im Bereich des Bçrzels (Schwanz) liegt; besonders groûe Lymphknoten sind die Tonsillen (Mandeln);

l

die Milz, die als riesiger Lymphknoten betrachtet werden kann;

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die Peyerschen Plaques, lymphknotenåhnliche Gebilde in der Darmwand;

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der Appendix, bekannt als Wurmfortsatz des Blinddarms.

Doch auch in Kærperregionen, wo die Gefahr einer Invasion von Krankheitserregern besonders groû ist, wie Lunge, Auskleidung des Verdauungstraktes und Unterhaut, halten sich ståndig zahlreiche Lymphocyten auf. Lymphatische Organe sind Aufenthaltsorte auf Zeit. Oft verlassen die Lymphocyten (ebenso wie die Makrophagen und die Granulocyten) Lymphsystem und Blutgefåûe, durchwandern alle mæglichen Gewebe und suchen Infektionsherde auf. Besonders ¹naiveª Lymphocyten, die noch kein Antigen eingefangen haben, gehen gern auf Wanderschaft. B-Zellen wie T-Zellen kænnen (in der Regel gemeinsam) lernen, wie bisher noch nie gesehene Pathogene und biologische Fremdkærper aussehen, und sie kænnen, teils in Kooperation mit den Phagocyten des unspezifischen Systems, verschiedene Mechanismen der Abwehr in Gang setzen. Der Funktionsbereich des Immunsystems, in dem B-Zellen und die von ihnen produzierten Antikærper eine besondere Rolle spielen, wird in vielen Lehrbçchern aus alter Tradition als l

¹humoralesª Immunsystem bezeichnet, keine sehr sinnreiche und hilfreiche Bezeichnung; denn humoral heiût ¹flçssigª oder ¹eine Flçssigkeit betreffendª. Demgegençber wird der von T-Zell-Funktionen abhångige Teil des Immunsystems

l

¹zellulåresª Immunsystem genannt.

7.3 Das lernfåhige Immunsystem der Vertebraten

7.3.2 Antigene sind hæhermolekulare Substanzen mit fremdartigen molekularen Besonderheiten, um die sich das Immunsystem kçmmern muss; kleine Molekçle werden von der Niere entsorgt Antigene sind definitionsgemåû solche Fremdsubstanzen, die letztlich zur Produktion von Antikærpern fçhren. Antigene werden an Antikærper gebunden. Als Antigene kommen Makromolekçle in Betracht: Proteine, Nukleinsåuren, Polysaccharide und Mischsubstanzen wie Glykoproteine, Proteoglykane und Lipoproteine. Es ist jedoch nicht das ganze Molekçl, das als fremdartig erkannt wird, vielmehr sind es besondere submolekulare Konfigurationen, die determinanten Gruppen. In Proteinen sind dies exponierte, spezifische Aminosåuresequenzen, die wir Epitope nennen (Abb. 7.2). Um kleine Molekçle braucht sich das Immunsystem im Regelfall nicht zu kçmmern. Sie passieren die Ultrafilter der Niere und werden ausgeschieden. Kleine Molekçle kænnen aber zu einer determinanten Gruppe eines Antigens werden, wenn sie als Hapten an ein græûeres Trågermolekçl gebunden sind (oder im Labor an einen Tråger gekoppelt worden sind).

Abb. 7.2. Antigen. Terminologie

7.3.3 Lymphocyten erkennen antigene Substanzen und Infektionskeime mittels besonderer Rezeptoren Obzwar die potentielle Bindung an Antikærper das Antigen definiert, ist es nicht die Bindung an die frei in der Kærperflçssigkeit flottierenden Antikærper, die das erstmalige Erkennen des Antigens ermæglicht. Oft werden beim erstmaligen Auftauchen eines Antigens noch gar keine Antikærper im Blut vorhanden sein. Das Erkennen wird von den Lymphocyten geleistet; denn sie sind mit besonderen Sensoren ausgerçstet. Zum Erkennen von Antigen sind die Lymphocyten mit speziellen Antennen, dem B-Cell-Rezeptor BCR oder dem T-Cell-Rezeptor TCR, ausgestattet. Der passende Rezeptor muss freilich in einem Lernprozess erst gefunden oder erfunden werden. 7.3.4 Die Art und Weise, wie das Immunsystem lernt, gleicht der Art und Weise, wie in der Evolution neues Wissen erworben wird: Zufallsprozesse erzeugen eine riesige Zahl von Rezeptorvarianten; die passenden Varianten werden durch einen positiven Selektionsprozess ausgesucht Ein Organismus weiû nicht, was so alles auf ihn zukommen wird. Er kann nicht vorausschauend planen und handeln. Wie kann man trotzdem im Ernstfall einen Rezeptor bereit haben, der ein x-beliebiges Antigen binden kann und eben dadurch erkennt? Die Antwort ist: Man låsst bei der Erzeugung von Rezeptorvarianten den Zufall walten und sucht alsdann passende Varianten aus (positive Klon-Selektion). Dabei mçssen allerdings auch durch einen sorgfåltigen negativen Selektionsprozess (Klon-Deletion oder Klon-Elimination) all diejenigen Varianten aussortiert werden, die fålschlicherweise kærpereigene molekulare Strukturen als Antigen an sich binden wçrden. Die hier angerissene Thematik ist so umfangreich, dass wir im Folgenden Teilvorgånge separat besprechen.

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

7.4 Das Generieren von Vielfalt bei der Erzeugung der antigenerkennenden Rezeptoren und der Antikærper 7.4.1 Unerschæpfliche Vielfalt durch somatische Rekombination und Hypermutation Noch wenn sich die unreifen Lymphocyten (,naive` Lymphoblasten, B- und T-Stammzellen) im Knochenmark befinden, oder erst wenn sie in die lymphatischen Organe wie den Thymus abgewandert sind, findet in der weiteren Entwicklung der Lymphocyten ein ungewæhnlicher Vorgang statt, der die gewçnschte Vielfalt von Rezeptoren erzeugt. Vor ihrer weiteren Vermehrung stellt jede B- und jede T-Stammzelle mittels somatischer Rekombination (Rearrangement) bestimmter chromosomaler Regionen aufs Geratewohl eine Rezeptorvariante her, die diese Stammzelle und ihre Nachkommen (Lymphoblasten) alsdann beibehalten (allenfalls nachtråglich noch durch Hypermutation optimieren; s. unten). Da es Millionen bis Milliarden von B- und T-Stammzellen gibt, und in jeder unabhångig von den anderen Lotterie gezogen wird, wird es schlieûlich Abermillionen Lymphoblasten geben, die jeweils eine andere Losnummer gezogen haben. Ihre Nachkommen, die reifen Lymphocyten, werden entsprechend mit den unterschiedlichsten Rezeptorvarianten ausgestattet sein. Variabel sind die antigenbindenden Domånen der Rezeptoren, d. h. die endståndigen Domånen der beiden leichten und der beiden schweren Ketten, die zusammen den tetrameren BC-Rezeptor aufbauen (Abb. 7.3). Der im groben Umriss Y-færmige BC-Rezeptor ist bifunktional; er hat zwei Bindungstaschen. Die Taschen werden jeweils gemeinschaftlich von den benachbarten variablen Domånen einer leichten und schweren Kette geformt. Genetisch ist die Herstellung so vieler Varianten ein ernsthaftes Problem. Der Mensch mag 40 000 Gene haben. Er kann jedoch Myriaden (geschåtzt

1011±1012) verschiedener Rezeptoren herstellen. Es stehen also bei Weitem nicht so viele Gene zur Verfçgung wie Varianten codiert werden sollten und auch erzeugt werden kænnen. Der Trick ist: zur Erzeugung der Rezeptoren, und der von ihnen abgeleiteten Antikærper (siehe unten), werden nicht klassische Gene benutzt, sondern Gensegmente, von denen eine græûere Zahl im Genom vorråtig ist und die nun vielfåltig (re-)kombinierbar sind. Vielfalt ergibt sich, wie so oft in der Biologie, aus Kombinatorik (Abb. 7.3, Abb. 7.4). Ein Vabanquespiel mit l

zufallsbeherrschter somatischer Rekombination,

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nicht korrigierten Replikationsfehlern und

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unsauberer Arbeitsweise beim Prozessieren der mRNA erzeugt milliardenfache Vielfalt.

Das Rekombinationsspiel findet auf der Ebene der DNA statt. Erst werden Segmente zur Codierung einer variablen, antigenbindenden Region der BC-Rezeptoren bzw. TC-Rezeptoren zusammengefçgt. l

Somatische Rekombination zur Generierung der variablen Region der leichten Kette ermæglicht ca. 7500 Varianten.

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Somatische Rekombination zur Generierung der variablen Region der schweren Kette ermæglicht 1,5 Millionen Varianten.

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Die freie Auswahlmæglichkeit zwischen den diversen leichten und schweren Ketten ermæglicht 11 Milliarden Varianten.

Ist die genetische Information durch Aneinanderkoppeln ursprçnglich entfernter Gensegmente zusammengestellt, dann wird der so zusammengestellte ¹Eisenbahnzugª durch Ankoppeln von Segmenten fçr die konstante Fc-Region ergånzt. Zur Herstellung der B-Zellrezeptoren stehen dem Menschen mehrere ¹poolsª an Segmenten zur Verfçgung. Die Segmente gliedern sich in die Klassen V = variable, variety, J = join, D = diverse, diversity und C = constant. Insgesamt stehen zur Verfçgung fçr die Programmierung einer

7.4 Das Generieren von Vielfalt bei der Erzeugung der antigenerkennenden Rezeptoren und der Antikærper

Abb. 7.3. Antikærper-Grundstruktur und seine genetische Programmierung

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

Abb. 7.4. Rekombination der DNA zur Programmierung des B-Zellrezeptors und der Antikærper. Ausschnitt aus den Gensegmenten, die fçr die schwere Kette des BCR bzw. der Antikærper codieren. Zwischen den Gensegmenten befinden sich palindromische Sequenzen (schwarze Dreiecke), die eine Verklebung der Schleifenenden ermæglichen. Die Långe der

Schleifen ist variabel und in jedem Lymphoblasten verschieden. Die Schleifen werden von einer Rekombinase abgeschnitten und die freien Enden der verbleibenden DNA werden wieder verbunden (ligiert). Die palindromischen Sequenzen leiten sich in der Evolutionsgeschichte mutmaûlich von Transposons ab

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L-Kette: 70±100 V + 5 J + 1 C aus dem kappaPool des Chromosoms Nr. 2 oder 20±30 V + 8 J + 4 C aus dem lambda-Pool des Chromosoms Nr. 22, und fçr eine

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H-Kette: ca. 100 V + 12±50 D + 6 J + 9 C Gensegmente.

Optimierung durch Hypermutation durch variables Spleiûen: Es gibt noch die Mæglichkeit einer nachtråglichen Optimierung. Ein naiver Lymphoblast habe erstmals ein Antigen eingefangen; er wird ¹stimuliertª, d. h. zur Teilung angeregt. Teilung setzt Replikation der (bereits rekombinierten) DNA voraus. Im Zuge dieser Replikationsrunde werden in jenen Gensegmenten, die fçr die variablen Antikærperdomånen codieren, ungewæhnlich viele Mutationen zugelassen, also Fehler nicht korrigiert. Die geschåtzte Mutationsrate von 10±3 Mutationen pro Basenpaar und Replikation liegt um mehrere Græûenordnungen çber der von anderen Genen. Auch beim Zuschneiden der mRNA wird noch gespielt und probiert. Die erzeugten Varianten unterliegen einem Selekti-

Diese Zahlen sind noch mit 2 zu multiplizieren, da diploide Organismen ja jeweils 2 homologe Chromosomen zur Auswahl haben. Diese Pools liegen auf verschiedenen Chromosomenpaaren, die Gensegmente fçr die leichten Ketten auf den Chromosomen Nr. 2 (kappa-pool) und Nr. 22 (lambda-pool), die Gensegmente fçr die schwere Kette auf Chromosom Nr. 17.

7.4 Das Generieren von Vielfalt bei der Erzeugung der antigenerkennenden Rezeptoren und der Antikærper

onsprozess. Die Nachkommen des stimulierten Lymphoblasten, die einen BC-Rezeptor mit den besten Bindungseigenschaften gefunden haben, werden am stårksten vermehrt. Fçr die Codierung des T-Zellrezeptors stehen zur Verfçgung: l

a-Kette: 50 Va + ca. 3 D + 50±70 Ja + 1 CaGensegmente auf Chromosom 14;

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b-Kette: 75 Vb + 1 D + 14 Jb + 2 Cb auf Chromosom 7 oder

l

darçber hinaus gibt es weitere abrufbare Sequenzen (z. B. im lambda-Locus des Chromosoms Nr. 7), die dazu beitragen kænnen TCR verschiedener Spezifitåt und Funktion zu erzeugen.

Auch bei der Zusammenstellung der TCR ermæglicht die Diploidie eine Verdoppelung der Auswahlmæglichkeiten. Hypermutation ist beim T-Zellrezeptor nicht bekannt. 7.4.2 Antigen stimuliert B-Zellen zur Vermehrung (positive Klonselektion) und zur Antikærperproduktion Wenn eine B-Stammzelle, wie es der Zufall will, gerade den passenden Rezeptor zur Verfçgung hat, wird diese B-Zelle stimuliert; d. h. sie wird durch die Bindung von Antigen (und durch unterstçtzende Signale einer T-Helferzelle) angeregt, sich zu teilen (Abb. 7.5). Die Tochterzellen replizieren die neu zusammengestellten Gene. Alle Nachkommen einer Stammzelle bilden einen Klon von Zellen, die alle den gleichen Rezeptor exprimieren wie ihre Stammzelle (mæglicherweise jedoch in einer durch Hypermutation optimierten Variante). Es kommt durch diese Proliferation zu einer positiven Klonselektion. Es wird die ursprçnglich kleine Population, die zufållig den passenden Rezeptor hat, gewaltig vermehrt. Mitglieder dieses Klons verlassen ihren Heimatort, irgendein lymphatisches Organ (bei Vægeln die Bursa fabricii), und siedeln sich in weiteren lymphatischen Organen an. Viele wer-

den zu Plasmazellen (= Effektorzellen), die Antikærper in groûer Zahl herstellen und in die Kærperflçssigkeit abgeben (Abb. 7.5). Einige werden zu Gedåchtniszellen, die in den lymphatischen Organen in Reserve gelegt werden, damit bei einer Zweitinfektion die Zahl der Startzellen fçr eine neue Proliferationsrunde hæher ist und die Immunantwort rascher einsetzen kann.

7.4.3 Antikærper sind abgestoûene B-Zell-Rezeptoren mit vielfåltigen Funktionen Wie dies bei membranståndigen Proteinen çblich ist, wird der BCR (und ebenso der TCR) am endoplasmatischen Reticulum (ER) hergestellt und çber Vesikel in die Zellmembran integriert. Eine reife Plasmazelle, die mit einem riesigen ER und måchtigen Golgiapparat ausgestattet ist, veråndert den Fc-Teil, d. h. den C-terminalen Stiel, ihres Rezeptors. Durch veråndertes Processing der mRNA wird der BCR um jene Domåne verkçrzt, die ihn zuvor in der Vesikel- bzw. Zellmembran verankert hatte. Der Rezeptor kann nun von der Plasmazelle per Exocytose freigesetzt werden. In der weiteren Entwicklung der Plasmazelle kann ein monumentales Transkript hergestellt werden, das schlieûlich alle neun (Mensch) bzw. acht (Maus) Gene umfasst, die potentiell fçr die konstante Region der schweren Kette codieren kænnen. Durch alternatives Spleiûen des Riesentranskripts kommt das eine oder das andere der C-Gene zum Zuge; es entstehen die verschiedenen Immunglobulin-(Ig-)Klassen (Abb. 7.6): l

Das Cl-Gen liefert die IgM, die dem BCR sehr åhnlich sind,

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das Cc-Gen liefert die IgG,

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das Ca-Gen liefert die IgA,

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das Ce-Gen liefert die IgE,

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das Cd-Gen liefert die IgD.

Diese unterschiedlichen Stiele vermitteln unterschiedliche Funktionen.

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte Abb. 7.5. Stimulation einer B-Zelle durch Antigen und durch unterstçtzende Signale von einer T-Helferzelle. Stimulation fçhrt zur Teilung der B-Zelle und anschlieûenden Reifung der Tochterzellen zu antikærpersezernierenden Plasmazellen

7.5 Funktionen der Antikærper 7.5.1 Antikærper helfen, læsliches Antigen und Fremdzellen fressbar zu machen, Fremdzellen zu lysieren und haben noch manch andere Funktionen IgG und Makrophagen (Abb. 7.7). Makrophagen besitzen Rezeptoren fçr IgG-Stiele. Material, an dem IgG-Antikærper kleben, kann besser phagocytiert werden. IgG verklumpen gelæste Makromolekçle zu unlæslichen Pråzipitaten (Niederschlag), die sich leichter fressen lassen, und sie opsonisieren Bakterien. Mit Antikærpern dekoriert, sind sie fçr Makrophagen besonders schmackhaft. IgG oder IgM und Komplement (Abb. 7.8). Im Blut schwimmen Komplementfaktoren, das sind von der Leber gelieferte verkappte Enzyme (Zymogene verschiedener Serin-Proteasen) und Enzymsubstrate. Sie werden durch Antikærper, die auf Fremdzellen sitzen, aktiviert. In einer Reaktionskaskade, die der Blutgerinnungskaskade gleicht, werden letztlich durch aggregierende C9-Faktoren groûe Poren in die Membran der Fremdzelle eingesenkt. Die durchlæcherte Zelle geht zugrunde.

IgA und Antikærper-Sekretion (Abb. 7.9). IgA kænnen durch Epithelien transportiert werden (Transcytose). Sie gelangen so beispielsweise in die Lunge oder die Muttermilch. Von der Milch gelangen sie unverdaut (!) durch das Darmepithel ins Blut des Såuglings. Wie sie vor dem Angriff der Verdauungsenzyme geschçtzt sind, ist noch nicht geklårt. Mit der Muttermilch wird der Såugling mit ersten Antikærpern versorgt. Nach und nach wird er dann selbst Antikærper produzieren mçssen. IgE, Entzçndung und Allergie (Abb. 7.10). Mastzellen und basophile Granulocyten fangen IgE auf und benutzen sie als eigene Antennen. Kommt Antigen vorbei, spucken die Zellen Signalsubstanzen wie Histamin und Eicosanoide (Leukotriene, Prostaglandine) aus und alarmieren andere Zellen des Immunsystems, die sich unverzçglich am Entzçndungsort einfinden. Auch Pollen und andere Allergene kænnen eine solche Reaktion auslæsen, unglçcklicherweise oft çbertrieben stark ± und man leidet an Allergie (s. 7.9).

7.6 T-Zellen, MHC und Antigenpråsentation

7.6 T-Zellen, MHC und Antigenpråsentation 7.6.1 Nur bei bestimmten Antigenen kommen B-Zellen allein zurecht; bei Peptidantigenen mçssen T-Zellen helfen, Fremdes zu identifizieren Angesichts der Aggressivitåt des Immunsystems geschieht die Identifikation von Fremdem nach dem Prinzip der mehrfachen Sicherung. Nur in bestimmten, eher seltenen Fållen werden B-Lymphocyten direkt von Antigen stimuliert. Eine solche direkte Stimulierung ist mæglich, wenn das Antigen ein Polysaccharid, ein Lipid oder eine Nukleinsåure ist. Bei der Identifizierung fremder Proteine hingegen mçssen sich T-Helferzellen (TH-Zellen) an der Identifizierung beteiligen und beståtigende Signale (Interleukine) an die B-Zellen richten. Dabei spielt der MHC-Komplex eine besondere Rolle. 7.6.2 Der MHC kennzeichnet unsere Individualitåt und hilft dem Immunsystem, zwischen kærpereigenen und fremden Aminosåuresequenzen zu unterscheiden

Abb. 7.6. Antikærperklassen

Die T-Zellen, die nach ihrer Geburt im Knochenmark eine Lehrzeit im Thymus (daher T-Zelle) durchlaufen, haben eine seltsame Hauptfunktion. Sie kontrollieren laufend den Individualausweis, den die Kærperzellen auf ihrer Oberflåche tragen, den MHC (Major Histocompatibility Complex, Abb. 7.11). MHC-Komplexe (beim Menschen auch HLA-Komplex genannt (HLA = human leucocyte antigen)) gibt es auf allen Zellen mit Ausnahme der kernlosen Erythrocyten. Bei Såugern hat sich dabei in der Evolution eine Zweiklassengesellschaft etabliert. l

MHC der Klasse II ist den Zellen des Immunsystems selbst vorbehalten: B-Lymphocyten, Makrophagen, Granulocyten, dendritische Zellen des Thymus und der Haut.

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte Abb. 7.7. Makrophage bei der Arbeit

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MHC der Klasse I findet man auf den çbrigen Kærperzellen (mit Ausnahme der kernlosen Zellen wie den Erythrocyten). Der MHC I repråsentiert unseren individuellen molekularen Personalausweis.

Der MHC ist durch zwei Eigentçmlichkeiten berçhmt geworden, durch den genetischen Polymorphismus und durch die gravierenden Probleme, die er der Transplantationsmedizin beschert. Polygenie und Polymorphismus des MHC: Zur Codierung des MHC stehen, wie bei Isoenzymen, auf den Chromosomen (¹in der Keimbahnª) mehrere Gene zur Auswahl. Fçr den MHC I, der aus einem Polypeptid besteht, liegen auf dem våterlichen und mçtterlichen Chromosom Nr. 6 jeweils 3 Gene bereit (Mensch: HLA-A, HLA-B, HLA-C), insgesamt also 6 Allele. Nach geltender Auffassung werden alle 6 Allele exprimiert (codominante Expression), sodass also jede Kærperzelle 6 Varianten von MHC-I-Molekçlen auf ihrer Oberflåche vorzuzeigen hat. An das vom MHC-I-Komplex codierte Polypeptid wird zur strukturellen Ergånzung ein zweites, kleineres angehångt, das von einem Gen auûer-

halb des MHC codiert wird und fçr sich allein b2-Mikroglobulin heiût (Abb. 7.11). In menschlichen und tierischen Populationen sind viele weitere allele Varianten jedes der drei MHC-I-Gene zu finden, beim Menschen mutmaûlich mehr als 200 pro MHC-Gen. Es ist kein Gen bekannt, von dem es mehr allele Varianten gåbe als von den Genen des MHC-Komplexes. Bei der sexuellen Fortpflanzung wird Lotterie gezogen. Von ca. 200 ´ 3 mæglichen Nummern des MHC I werden je 2 ´ 3 Nummern gezogen. Fçr jedes Individuum findet eine eigene Ziehung statt, und die gezogene Kombination ist immer auch der Gewinn. Da kann jedes Individuum zu einer eigenen MHC-Variante kommen, ohne dass wie beim BCR oder TCR somatische Rekombination und Mutation die numerische Vielfalt vergræûern mçssten. Jeder von uns hat seine eigene private Kombination. Eltern und Geschwister werden eine åhnliche Kombination haben, aber wohl kaum eine vollkommen identische ± abgesehen von eineiigen Zwillingen. Zur Codierung des dimeren MHC II, bestehend aus einer a- und einer b-Kette, stehen ebenfalls je drei Gene zur Verfçgung (Mensch: HLA-

7.6 T-Zellen, MHC und Antigenpråsentation Abb. 7.8. Komplementsystem. Auslæsend sind antigene Strukturen in der Zellmembran einer Fremdzelle. Es sind zwei Aktivierungswege bekannt. Der ¹klassische`` Weg geht von IgG-Antikærpern aus, welche die Antigene erkennen. An die Antikærper binden Proteinkomplexe, die vom Blut (letztlich von der Leber) stammen und in einer Kaskade von proteolytischen Ereignissen aktiviert werden. Die Aktivierung besteht jeweils in der proteolytischen Abspaltung eines inhibitorischen Peptids. Am Ende der Reaktion ist in die Fremdzelle eine groûe, tædliche Pore eingebaut, durch die Zellinhalt ausflieût. Der alternative, evolutionsgeschichtlich åltere Weg geht vom C3-Komplementfaktor aus. C3 kann in einzelnen Fållen direkt an Oberflåchenmolekçle der Fremdzelle binden, oder es sind Lektine, welche die Bindung vermitteln. Die Endstrecken beider Wege sind gleich

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

MHC I mæglich. Funktionell wird das MHC-II-Dimer erst perfekt, wenn es durch Beladung mit einem kurzen Peptid zum Trimer wird. Dieses zusåtzliche Peptid stammt von einem Antigen. Die groûe Vielfalt mæglicher MHC-II-Molekçle erlaubt es den Zellen des Immunsystems, mittels dieser vielen MHC-Varianten vielerlei antigene Peptide auf ihrer Zelloberflåche vorzuweisen. Die MHC-II-Trimere werden von T-Zellen kontrolliert und begutachtet. 7.6.3 Antigenpråsentation durch professionelle Phagocyten: Der MHC II wird mit Antigen beladen und an ¹immunologischen Synapsenª von T-Zellen kontrolliert; Fremdantigene stimulieren daraufhin Immunreaktionen Abb. 7.9. Transcytose von IgA-Antikærpern durch ein Epithel, z. B. durch die Wandung eines Milchdrçsenkanals

Abb. 7.10. Alarmierung weiterer Immunzellen durch eine Mastzelle, die mittels geborgter, von B-Zellen hergestellter IgE-Antikærper die Anwesenheit eines Antigens erkannt hat

DR, HLA-DQ, HLA-DP). Alle drei Gene enthalten mehrere a- und b-Exons, die fçr die a- und b-Domåne des MHC codieren kænnen. Deshalb ist fçr den MHC II eine noch græûere Vielfalt als beim

Professionell antigenpråsentierende Zellen APC (Abb. 7.12). Makrophagen fressen Parasiten (Bakterien, Einzeller), die ihnen als Fremdlinge bekannt sind, oder die durch Opsonisierung als fremd gekennzeichnet worden sind. Auch fressen sie fremde, in der Kærperflçssigkeit flottierende Proteine, wenn sie mit Antikærpern zu Aggregaten verkettet sind. Auch Granulocyten und dendritische Zellen nehmen per Endocytose Proteine und proteinhaltige molekulare Aggregate in sich auf. B-Zellen verschlingen durch Endocytose ihre eigenen mit Antigen beladenen BC-Rezeptoren. In den Endosomen all dieser gefråûigen Zellen wird das fremde Protein oft nicht zuende verdaut (vielleicht, weil es nicht zuende verdaut werden kann). Bruchstçcke werden in Vesikel geschleust, die vom Endoplasmatischen Reticulum (ER) abgeschnçrt worden sind und den MHC II an die Zelloberflåche tragen. Auf dem Weg zur Zelloberflåche werden die MHC II mit Peptidfragmenten beladen. MHC-II-Molekçle besitzen eine Rinne, in die Peptide mit einer Långe von 10±30 Aminosåuren eingelassen werden kænnen (MHC I: 8±11 AS). Schlieûlich werden die Fremdpeptide mit dem MHC auf der Zelloberflåche ¹pråsentiertª. Den so mit Peptid beladenen MHC II nehmen die T-Helferzellen in Augenschein (s. 7.6.5).

7.6 T-Zellen, MHC und Antigenpråsentation

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

Neueste Forschung ist einer schier unglaublichen Signalstaffette auf die Spur gekommen. Zu den professionellen APC zåhlen die dendritischen Zellen (Abb. 7.1 a), die sich im Thymus und anderen lymphatischen Organen niedergelassen haben. Sie pråsentieren nicht nur fremde, sondern auch kærpereigene Antigene, wenn es gilt, dem Immunsystem zu lehren, zwischen Eigen und Fremd zu unterscheiden (s. Abschnitt 7.8). In der Nåhe solcher dendritischer Zellen strecken B-Zellen feine Filopodien aus und nehmen innigen Kontakt zum MHC-II der dendritischen Zelle auf. Es kommt zu einer Kontaktstruktur, die man immunologische Synapse nennt (s. Abb. 12.8). An diesen Kontaktstellen çbernehmen die B-Zellen mittels ihres BC-R von den dendritischen Zellen das Antigen. Dieses wird alsdann von der B-Zelle internalisiert, auf ihren eigenen MHC-II geladen und schlieûlich T-Zellen vorgezeigt. Betrachtet man das Antigen als Signal, so fçhrt hier eine Signalstafette von den dendritischen çber die B- zu den T-Zellen. Ein Fremdantigen als Signalmolekçl zu betrachten, ist voll gerechtfertigt. Das Fremdantigen stimuliert die B-Zelle, sich zu teilen. Ihre Tochterzellen wandern in Lymphknoten und Milz, um dort als Plasmazellen groûe Mengen von Antikærpern zu erzeugen, oder um dort als Gedåchtniszellen zu verharren. Ebenso teilen sich Antigen-stimulierte T-Zellen und grçnden Subpopulationen von T-Gedåchtniszellen. 7.6.4 Mit dem MHC-I der Kærperzellen pråsentierte Antigene stammen von den Zellen selbst, sind also kærpereigene Peptide, oder sind von parasitischen, z.B. viralen, Genen codiert Abb. 7.12. Antigen-Processing und -Pråsentation durch eine Zelle des Immunsystems (z.B. Makrophage, Granulocyt), die ein Antigen per Endocytose geschluckt hat. Ein charakteristisches Peptidfragment des Gesamtantigens wird mittels eines MHC-Komplexes exponiert und T-Zellen zwecks Kontrolle vorgezeigt. Intrazellulåre Peptidfragmente entstehen aus dem Abbau von Proteinen im Proteasom. Solche intrazellulåren Proteine sind zelleigene Produkte, oder sind von viralen Genen codiert, oder stammen von intrazellulåren Parasiten

Der MHC I pråsentiert fremde wie auch kærpereigene Peptide. Nicht nur Fremdmaterial wird an MHC-Komplexe gekoppelt. Laufend bauen unsere Zellen gealterte und inkorrekt gefaltete eigene Proteine ab. Fçr diese Entsorgungsfunktion ist die Zelle mit Proteasomen ausgestattet, intrazellulåren Apparaten, in denen mehrere Proteasen zusammenarbeiten. Es entstehen Peptidbruchstçcke mit 6 bis 15 Aminosåuren Kettenlånge. Ein

7.6 T-Zellen, MHC und Antigenpråsentation

Teil der Peptide wird çber den ABC-Transporter ins ER geschleust und in die Rinne des MHC I eingelegt. Die Peptide gelangen mit dem MHC I an die Zelloberflåche (Abb. 7.12) und werden den T-Zellen vorgezeigt. Woher kænnen nun aber kærperfremde intrazellulåre Peptide stammen? Sie kænnen von intrazellulåren Parasiten (wie dem Malariaerreger Plasmodium) stammen oder von viralen Genen codiert sein. Viren brauchen Capsidproteine, in die ihr Genom (DNA oder RNA) verpackt wird, bevor das Virus die Zelle verlåsst. Viren brauchen, um neue Zellen befallen zu kænnen, in ihrer Hçlle Spikeproteine, mit denen sie an Oberflåchenmolekçle anderer eukaryotischer Zellen andocken kænnen. Es ist die schon befallene Wirtszelle, welche diese viralen Proteine auf Befehl der Virusgene herstellen muss. Gelangt ein solches virales Protein in die Schneidemaschinerie des Proteasoms, kænnen Bruchstçcke entstehen, die nicht mit kærpereigenen Peptiden identisch sind. Auch sie kænnen in die Rinne des MHC I aufgenommen und zur Zelloberflåche transportiert werden. So werden laufend Peptide den T-Zellen vorgezeigt (Abb. 7.12). Bemerken diese bei der Kontrolle des Personalausweises, dass das Peptid kærpereigen ist, lassen sie die kontrollierte Zelle unbehelligt. Wird hingegen ein Fremdantigen entdeckt, schlagen die T-Zellen Alarm (T-Helferzellen) oder attackieren den Ausweisbesitzer (T-Killerzellen). 7.6.5 Die T-Zellen kontrollieren den MHCPersonalausweis, senden Alarmsubstanzen aus oder entwickeln Killeraktivitåten, besonders gegen virusinfizierte Zellen Es gibt 3 Haupttypen von T-Zellen: 1. Die T-helper = TH-Zellen (auch CD 4+-Zellen, aufgrund eines Oberflåchenmolekçls CD 4+) und die 2. T-killer = cytolytische oder cytotoxische T-Zellen = TCyt (auch CD 8+-Zellen genannt).

3. Natçrliche Killer-Zellen = NK. (Umstrittene Typen wie T-suppressor bleiben hier auûer Betracht.) Die TH lesen den MHC-II-Ausweis, den die antigenpråsentierenden Zellen des Immunsystems (Neutrophile, Makrophagen u. a.) auf ihrer Oberflåche vorzeigen. Wenn sie entdecken, dass er mit fremdem Antigenfragment verfålscht ist, senden sie als Alarmsignal Interleukin-2 aus. Dieses stimuliert B-Zellen, die daraufhin proliferieren und ihre Antikærper freisetzen, und es stimuliert die TH-Zellen selbst. Durch den autokrinen Rçckkoppelungskreis kommt es zur Vermehrung der TH-Zellen. Schlieûlich lassen sich auch die cytotoxischen T-Zellen durch Interleukin-2 zur Proliferation stimulieren. Die TCyt kontrollieren den MHC-I-Ausweis der sonstigen Kærperzellen. Sie vernichten Zellen, z. B. eines Parasiten oder eines Transplantates, die nicht den kærpereigenen MHC I vorzeigen kænnen, oder sie tæten notfalls virusinfizierte kærpereigene Zellen, deren MHC I mit viralen Proteinfragmenten beladen ist (Abb. 7.13). Virusinfektion verråt sich in doppelter Weise: durch den modifizierten MHC der Zelle und durch Spikeproteine, die in der Zellmembran erscheinen, bevor neue Viren durch Knospung die Zellen verlassen. An solche Spikeproteine kænnen Antikærper andocken und Komplement zur Perforation der Zelle heranfçhren. Wichtiger ist allerdings die Bewaffnung der TCyt selbst. T-Zellen geben Toxine ab und Perforine, die den C9-Komponenten des Komplementsystems sehr åhnlich sind und in die Zellmembran der infizierten Zelle tædliche Læcher stanzen (Abb. 7.13). Die NK-Zellen sind åhnlich aggressiv wie die Tcyt-Zellen, greifen aber vor allem Zellen an, die gar keinen MHC besitzen; das werden im Regelfall Parasiten sein (Erythrocyten werden verschont). NK-Zellen werden auch dem angeborenen Immunsystem zugerechnet. NK-Zellen, so hofft mancher Immunologe, sollten auch einige Typen von Tumorzellen angreifen, welche die Fåhigkeit verloren haben, MHC I zu exprimieren.

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte Abb. 7.13. Kooperative Immunreaktion bei einer Virusinfektion. Im gezeigten Fall wird die virusinfizierte Zelle geopfert und mittels Perforine getætet. Sie leitet ihren Opfertod durch Pråsentation von viralem Antigen selbst ein

7.6.6 Viren sind oftmals Ursache fçr tumorartiges Wachstum. Kann das Immunsystem helfen? Ist es eine Hauptfunktion des T-Zell-vermittelten Immunsystems, Viruserkrankungen in Schach zu halten, so ist es umgekehrt ¹Ziel`` des Virus, seine infizierte Gastzelle am Leben zu erhalten und sie zur Vermehrung anzuregen. DNA-Viren (z. B. Hepatitis B) lassen ihr Genom von der Wirtszelle replizieren. Retroviren, die ihre in RNA niedergelegte Erbinformation mittels rever-

ser Transkriptase in cDNA umkopieren lassen (z. B. HIV), lassen ihre Erbinformation sogar direkt in das Genom der Wirtszelle integrieren. DNA-Viren und RNA-Retroviren kænnen so effektiv fçr die Vermehrung ihrer Erbinformation sorgen. Das Immunsystem merkt das nicht, solange die Erbinformation in der Wirts-DNA versteckt ist und multipliziert wird. Spåter, wenn die Tumorzellen neue Viren erzeugen und freisetzen mçssen, hat das Virus schon gesiegt; denn es wird von sehr vielen Zellen produziert.

7.6 T-Zellen, MHC und Antigenpråsentation

Virale Genome enthalten oftmals Onkogene, die in irgendeiner Weise so in die Proliferationskontrolle eingreifen, dass ihre Wirtszelle sich çbermåûig vermehrt. In der Immunologie wird derzeit viel Forschungspotential investiert, um das Immunsystem zur Bekåmpfung von Tumoren aufzurçsten. T-Zellen sollen tumorspezifische MHC-Antigen-Komplexe erkennen und die Produzenten solcher Antigene vernichten. Sofern es sich bei diesen tumorspezifischen Peptiden um virale Peptide handelt, haben solche Forschungsprojekte, theoretisch, gute Erfolgsaussichten. 7.6.7 Das HIV schaltet das Immunsystem aus; Folge kann AIDS sein Ein besonders heimtçckisches Virus ist der human immunodeficiency virus HIV-1. Viren dieses Typs befallen Zellen des Immunsystems selbst und schwåchen es. Sie docken an Zellen an, die den CD4-Co-Rezeptor exprimieren, und lassen sich durch Endocytose einschleusen. CD4-Co-Rezeptor exprimieren vor allem T-Helferzellen (TH), aber auch Makrophagen und einige ihrer Abkæmmlinge (Langerhans'sche Zellen der Haut). Innerhalb von Monaten oder Jahren verliert der Organismus mehr als die Hålfte seiner TH-Zellen. Folge: der Organismus wird anfållig gegen vielerlei Infektionskrankheiten und sonst seltene Formen von Krebs. Es entwickeln sich nach und nach Symptome von AIDS (acquired immunodeficiency symptoms). Die Mehrzahl dieser Symptome sind unspezifisch (opportunistische Infektionen); zwei æfter mit AIDS assoziierte, eher spezifische Symptome sind das sonst seltene Kaposi-Sarcom (violette Hautflecken, besonders an den Beinen) und eine bestimmte Form der Lungenentzçndung, die von Bakterien ausgelæst wird. Die Ansteckungsgefahr çber sexuelle Kontakte ist kontrollierbar. Vernçnftige Lebensweise ohne håufigen Partnerwechsel mit ungeschçtztem Sex und der Verzicht auf unkonventionelle, brutale Sextechniken gençgen im Regelfall, um Ansteckung zu vermeiden. Erschreckend ist allerdings, dass sich Kinder bereits im Mutterleib infizieren

kænnen und auch noch nach ihrer Geburt çber HIV-haltige Muttermilch. 7.6.8 Der Rhesus-Faktor: Ein mægliches Problem in der Beziehung von Mutter und Kind Erythrocyten kænnen auûer den çblichen Blutgruppen-Oberflåchen-Antigenen (s. Abschnitt 7.8.3) einen molekularen Komplex auf ihrer Oberflåche tragen, dessen homologe Variante im Blut von Rhesusaffen entdeckt worden ist. Der Komplex kann in verschiedenen immunologischen Varianten vorliegen, in Rh-positiven Varianten, die das Immunsystem zur Produktion von Antikærpern anregen, und in Rh-negativen Varianten, die dem Immunsystem weitgehend gleichgçltig sind. Nun nehmen wir den folgenden Fall an: Die Erythrocyten der Schwangeren exprimieren den Komplex in einer immunologisch unwirksamen Variante; sie sind rhesusnegativ. Das Kind der Schwangeren hingegen habe Allele vom Vater geerbt, welche die Erythrocyten rhesuspositiv machen. Dringen Erythrocyten des Kindes çber die Plazentaschranke hinweg ins mçtterliche Blut, erzeugt die Mutter Anti-Rh-Antikærper. Diese wiederum gelangen çber die undichte Plazentaschranke hinweg in den Blutkreislauf des Kindes und verursachen Verklumpung und Lyse kindlicher Erythrocyten. Bei einer ersten Schwangerschaft ist die Konzentration an solchen Anti-Rh-Antikærpern meistens noch gering und fçr das werdende Kind noch nicht lebensgefåhrlich. Doch bei einer weiteren Schwangerschaft ist die Mutter sensibilisiert, eine Besonderheit des lernfåhigen Immunsystems, die ± wie nachfolgend erlåutert ± mit Gedåchtniszellen zu tun hat. Weiû man um die Gefahr, werden vom Arzt kommerziell beziehbare Anti-Rh-Antikærper ins mçtterliche Blut eingefçhrt. Sie sollen den Rh-Komplex der eingedrungenen kindlichen Erythrocyten abdecken und so fçr das Immunsystem der Mutter unsichtbar machen. Sofern dies gelingt, bleiben auch die

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

Gedåchtniszellen der Schwangeren in ihrem Ruhezustand.

7.7 Verstårkereffekte und langanhaltende Immunitåt 7.7.1 Verstårkereffekte fçhren zur Vermehrung immunreaktiver Zellen Um einer Invasion von Krankheitserregern erfolgreich entgegentreten oder mit einem riesigen Transplantat fertig werden zu kænnen, muss das Immunsystem Millionen und Milliarden von Abwehrzellen rekrutieren. TH-Zellen kurbeln die Proliferation der antigenbeladenen B-Zellen an und sorgen so dafçr, dass Klone geeigneter Abwehrzellen heranwachsen. Aber auch die THund TCyt-Zellen mçssen vermehrt werden, um die Immunantwort richtig in Schwung zu bringen. Alle Zellen, deren Rezeptoren ein fragliches Antigen erkennen kænnen, werden vermehrt. Dies geschieht dadurch, dass sich diese Zellen durch Aussenden von Wachstumsfaktoren wechselseitig zur Proliferation anregen. Die zwischen Lymphocyten als ¹Wachstumsfaktorenª vermittelnden Signalsubstanzen heiûen Lymphokine oder, synonym, Interleukine. (Ein noch umfassenderer Ausdruck, der auch andere Wachstumsfaktoren mit umfasst, ist Cytokin). Es gibt viele Interleukine bzw. Cytokine. Ein spezielles Cytokin, das c-Interferon, verstårkt die Aktivitåt der antigenpråsentierenden Zellen und stimuliert sie, mehr MHC auf ihrer Oberflåche zu exponieren. 7.7.2 Gedåchtniszellen vermitteln langanhaltende Immunitåt und rasche Reaktivierbarkeit einer Immunantwort Reife, in voller Funktion stehende B- und T-Zellen sind kurzlebig. Um eine langanhaltende Immunitåt zu erreichen, werden, wenn erst einmal

gençgend groûe Klone geeigneter Immunzellen herangewachsen sind, Gedåchtniszellen (memory cells) in den lymphatischen Organen deponiert. Es werden nicht nur B-Gedåchtniszellen, sondern auch TH- und TCyt-Gedåchtniszellen in Reserve gehalten. Tauchen die bekåmpften Antigene erneut auf, startet eine erneute Immunantwort nicht mit der Stimulation weniger Stammzellen, sondern vieler Gedåchtniszellen.

7.8 Lernen von ¹Selbst oder Fremdª und Immuntoleranz 7.8.1 Dem Immunsystem ist die Kenntnis des Selbst nicht angeboren Dem Immunsystem ist weder die Kenntnis von Antigen noch der kærpereigenen MHC-Molekçle angeboren. Dass das Immunsystem keine ¹angeboreneª Kenntnis davon haben kann, was als Antigen im Verlauf des Lebens auftauchen wird, ist plausibel. Doch der MHC ist ¹angeborenª. Warum sollte nicht auch das Wissen darum, welcher im Individuum vorhanden ist, angeboren sein? Antwort: Es war ja ein genetisches Zufallsspiel, das im Zuge der sexuellen Fortpflanzung die individuellen MHC-Allele zusammenfçhrte. Die MHCGene kænnen nicht direkt die somatische Rekombination in der Entwicklung der Lymphocyten dirigieren; denn diese ist ja auch vom Zufall beherrscht. 7.8.2 Der Lernprozess basiert auf positiver Klonselektion oder negativer Klonelimination Der Zufall, der bei der Erzeugung der BC-Rezeptoren und TC-Rezeptoren waltet, wird unvermeidlich auch variable Domånen erzeugen, die kærpereigene Molekçle binden. Der Ausleseprozess ist im Falle der B-Zellen ± im Prinzip ± einfach zu verstehen, im Falle der T-Zellen ist er kompliziert und noch långst nicht voll durchschaut.

7.8 Lernen von ¹Selbst oder Fremdª und Immuntoleranz

Die B-Stammzellen, denen das Missgeschick widerfahren ist, eine falsche Losnummer gezogen zu haben, mçssen eliminiert werden. Wenn die B-Zellrezeptoren, die çbrigbleiben, spåter doch etwas zum Binden finden, darf dieses Etwas als fremd gelten. Bei den T-Zellen findet, so eine gegenwårtige Hypothese (Abb. 7.14), zunåchst eine positive Selektion statt. Nur solche T-Rezeptoren, die einen MHC erkennen kænnen, bleiben im Lieferprogramm. Im Zuge des weiteren Lernvorgangs, der im Thymus ablåuft, werden die MHC mit vielerlei kærpereigenen Peptidfragmenten dekoriert. Nun findet eine negative Selektion statt. Die T-Zellen, deren Rezeptor exakt auf MHC plus kærpereigenes Peptid passt und deshalb ein aggressives Verhalten stimulieren wçrde, mçssen verschwinden. Ûbrig bleiben dçrfen T-Zellen, die potentiell den kærpereigenen MHC plus Fremdpeptid binden kænnen. Viele Fragen sind indes noch offen: Wie kænnen die T-Zellen im Thymus mit ausreichend vielen kærpereigenen Peptiden konfrontiert werden? Nach neuesten Hinweisen der experimentellen Forschung exprimieren die Antigen-pråsentierenden dendritischen Zellen des Thymus und anderer lymphatischer Organe eine Fçlle von Proteinen, die charakteristisch fçr ganz andere Zelltypen sind und die sie fçr ihren Eigenbedarf gar nicht brauchen, beispielsweise nervenzellspezifische Proteine. Bruchstçcke dieser Proteine werden den T-Zell-Adepten vorgezeigt. Wehe sie reagieren darauf aggressiv. Sie werden nicht nur von der Schule verwiesen, sondern zum Suizid (Apoptose) getrieben. Es kommt zu einer negativen Klonselektion (Klondeletion, Klonelimination). Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist, dass das Steroidhormon Cortisol, das in der Medizin viel zur Unterdrçckung allergischer Immunantworten eingesetzt wird, die Apoptose vieler T-Zellen im Thymus auslæst. Die gewaltige Aufgabe, zwischen Selbst und Nichtselbst unterscheiden lernen zu mçssen, wird insofern verringert, als manche Gewebe durch Schranken vom Immunsystem getrennt sind, z. B. das Zentralnervensystem durch die Blut-Hirn-

Schranke, die spermienproduzierenden Hodenkanålchen durch die Blut-Hoden-Schranke, etc. Umso schlimmer, wenn diese Schranken durchbrochen werden. Der Lernvorgang findet bei der Maus zur Zeit der Geburt statt und ist unter anderem eine Funktion der Antigendosis. Wird zu dieser Zeit Antigen in hoher Dosis pråsentiert (z. B. durch eine Bluttransfusion), kann leicht Immuntoleranz erzeugt werden. Eine Bluttransfusion erzeugt Toleranz fçr den fremden MHC und deshalb auch Toleranz fçr Transplantate, spåter ist die Erzeugung einer Immuntoleranz viel schwieriger. Auch beim Menschen ist die frçhe Jugend die Zeit des Lernens. Spåter degeneriert der Thymus weitgehend; es bleiben aber noch dendritische Zellen als Lehrer in anderen lymphatischen Organen, sodass auch spåter im Leben noch das eine und andere ¹Fremdwortª gelernt werden oder Toleranz gegençber einem Transplantat eingeçbt werden kann. 7.8.3 Das Blutgruppensystem ist Resultat des Lernvorgangs Die Blutgruppen des AB0-Systems sind nach Antigenen der Erythrocyten klassifiziert. Tragen die Erythrocyten das antigene Glykoprotein A, muss das Immunsystem die B- und T-Stammzellen mit Anti-A-Rezeptoren eliminieren, Anti-B-Varianten dçrfen bleiben. Liegt Glykoprotein B vor, dçrfen Anti-A-Varianten çberleben. Bei der Blutgruppe AB sind weder Anti-A noch Anti-B erlaubt. Haben die Erythrocyten hingegen weder A noch B (Gruppe 0), dçrfen sowohl die Stammzellen mit Anti-A- als auch die mit Anti-B-Varianten çberleben (Abb. 7.15). Fçr weitere potentielle Antigene (z. B. MN-System, Rhesusfaktoren) gilt Entsprechendes. Gehæren Kind und Mutter verschiedenen Blutgruppen an, kænnte es gefåhrlich werden, wenn die immunologische Schranke der Plazenta defekt ist. Augenscheinlich stimulieren die Glykoproteine der AB-Gruppe jedoch eine Immunantwort in geringerem Maûe als der (chemisch komplexe-

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte Abb. 7.14. Hypothese çber die Lernprozesse im Thymus. Nach derzeitiger Vorstellung besteht der Lernprozess in der Auslese und Elimination der Lymphocyten, welche entweder den kærpereigenen MHC-Komplex gar nicht erkennen oder mit kærpereigenen Peptiden beladenen MHC mit hoher Affinitåt binden. Ûbrig bleiben Lymphocyten, die potentiell MHC mit Fremdpeptiden mit hoher Affinitåt binden. In den lymphatischen Organen (Milz, Lymphknoten) und in der Peripherie (z.B. in den Schleimhåuten und in den Lungenalveolen) kommt es dann zur Vermehrung derjenigen Lymphocyten, deren Rezeptoren fremdes Antigen aufgespçrt haben. Ein Teil der Tochterzellen wandert in die Lymphknoten, um dort als Gedåchtniszellen zu verbleiben

7.8 Lernen von ¹Selbst oder Fremdª und Immuntoleranz

7.8.4 Fehlerhaftes Lernen und falsche Entscheidungen: Autoimmunreaktionen Viele Komponenten unseres Kærpers sind im Regelfall dem Immunsystem entzogen: intrazellulåre Komponenten wie DNA und RNA, ganze Gewebe wie Gehirn und Hoden, wo Blut-Gehirn- und Blut-Hoden-Schranken den Lymphocyten keinen oder nur vereinzelt Zugang erlauben. Hier kann entsprechend kaum gelernt werden, was Fremd und was Eigen ist. Wird nun aber eine solche Abschirmung unterbrochen, ist der Konflikt unvermeidlich. In gçnstigen Fållen mag sich eine Immuntoleranz entwickeln, in ungçnstigen Fållen wird es zu Autoimmunkrankheiten kommen. Als Autoimmunkrankheiten werden angesehen oder doch diskutiert: l

insulinabhångiger Diabetes (Typ-I-Diabetes),

l

Morbus (= Krankheit) Addison der Nebenniere,

l

Morbus Basedow der Schilddrçse,

l

perniziæse Anåmie und atrophische Gastritis, die sich gegen den Magen wenden,

l

Myokarditis, eine Erkrankung des Herzens,

l

Autoimmunkrankheit des Hodens,

l

Multiple Sklerose des ZNS,

l

rheumatoide Arthritis,

l

Lupus erythematodes, der mit gerætetem Hautausschlag beginnt.

Abb 7.15. Klassisches Blutgruppen-System des Menschen

re) Rhesusfaktor. Gelangen rhesuspositive Erythrocyten des Kindes çber eine defekte Plazentaschranke (oder bei den Blutungen der Geburt) in den Kærper der rhesusnegativen Mutter, wird deren Immunsystem zur verstårkten Produktion von Anti-Rh-Antikærpern angeregt. Diese Antikærper kænnen wiederum çber die Schranke der Plazenta hinweg ins Blut des Kindes gelangen und dort ihr Unheil anrichten (z. B. Perforation der kindlichen Erythrocyten durch das Komplementsystem!). Bei einem nachfolgenden zweiten oder dritten Rh-positiven Kind kann dies lebensgefåhrlich werden.

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7.9 Entzçndungen, Allergien und hemmender Einfluss von Stresshormonen 7.9.1 Bei vielen Immunreaktionen, einschlieûlich Entzçndungsreaktionen, Allergien und Autoimmunkrankheiten, sind weitere Immunzellen wie Makrophagen, Granulocyten und Mastzellen beteiligt Wenn Forscher auf dem Gebiet der Immunologie gegenwårtig ihr Augenmerk hauptsåchlich auf B-Zellen und T-Zellen richten, so bedeutet dies nicht, dass nicht auch andere Zelltypen an immunologischen Reaktionen beteiligt wåren. Wenn im Verlauf einer Erstinfektion die B-Lymphocyten bzw. Plasmazellen mehr und mehr Antikærper produzieren, behalten sie bei der Codierung der variablen Region das bewåhrte Programm, um dessentwillen sie ja selektioniert worden sind, bei, kuppeln aber an die variable Region verschiedene konstante Stielregionen an. So setzen B-Zellen nach IgM- und IgG-Antikærpern schlieûlich auch IgE frei. Mastzellen und basophile Granulocyten fangen diese IgE-Antikærper ein, um sich selbst mit Rezeptoren auszustatten. Sie sind nun in der Lage, eigenståndig eine drohende Gefahr zu erkennen. Taucht das betreffende Antigen erneut auf, locken die pråparierten Mastzellen mit ihren Signalsubstanzen Lymphocyten, Granulocyten und Makrophagen zum Infektionsherd. Entzçndungsreaktionen kommen von Mal zu Mal schneller und heftiger in Gang. Die freigesetzten Signalsubstanzen, darunter Histamin, læsen darçber hinaus eine Erweiterung der ærtlichen Blutkapillaren aus. Der Infektionsherd rætet und erwårmt sich. Der verlangsamte Blutstrom erleichtert den Durchtritt des antikærperhaltigen Blutserums und der angelockten Immunzellen durch die Endothelien; der Infektionsherd schwillt an. Die rekrutierten Makrophagen und die neutrophilen Granulocyten bereiten makromolekulare Antigene auf und pråsentieren den T-Zellen herausgebrochene Peptid-Antigene mittels ihres

MHC II. Damit werden einerseits die Antigene abgebaut, andererseits wird die Immunantwort verstårkt, weil mehr und mehr T-Zellen aktiviert werden. Auch die eosinophilen und basophilen Granulocyten, deren funktionelle Charakterisierung noch långst nicht abgeschlossen ist, sind vielstimmig im Konzert der Immunzellen beteiligt. Ûberreaktionen des Immunsystems fçhren zu Allergie, Fehlreaktionen zu Autoimmunkrankheiten. Folge allergischer Reaktionen sind beispielsweise Hautquaddeln, Rhinitis (Heuschnupfen) oder Asthma bronchiale (Verengung und Verschleimung der unteren Atemwege). Im schlimmsten Fall, besonders oft nach wiederholter intravenæser Zufuhr von Medikamenten in die Blutbahn, kann es zum tædlichen anaphylaktischen Schock kommen. 7.9.2 Die Zellen des Immunsystems haben Hormonrezeptoren und lassen sich durch Stresshormone wie Cortisol in Anzahl und Aktivitåt drosseln Gegen peinerzeugende Entzçndungen, låstige bis lebensgefåhrliche Allergien, zur Dåmpfung von Autoimmunkrankheiten und zum Ûberlebensschutz von Transplantaten werden in der Medizin Cortisolpråparate eingesetzt (Salben, Spritzen, meistens synthetische Cortisolanaloga enthaltend). Cortisol ist ein Hormon der Nebennierenrinde, das bei langanhaltendem Stress vermehrt in die Blutbahn entlassen wird. Von seinen vielfåltigen Wirkungen (s. Kap. 11, Hormone) ist hier seine immunsuppressive Wirkung von Belang. Cortisol drosselt das Aussenden von Alarmsubstanzen (Interleukine, Interferone, Prostaglandine) durch Immunzellen, die sich in Entzçndungsherden versammelt haben, und es fçhrt langfristig zu einer Verminderung der Zahl der Immunzellen, besonders der T-Zellen. Das Knochenmark liefert weniger T-Lymphoblasten; im Thymus unterwerfen sich unter dem Einfluss von Cortisol T-Zellen vermehrt dem programmierten Zelltod.

7.10 Aus der Praxis des Labors: monoklonale Antikærper und Immunfluoreszenz

Die Zellen des Immunsystems besitzen nicht nur Rezeptoren fçr Cortisol, sondern auch fçr das Stresshormon Adrenalin, fçr das schmerzdåmpfende b-Endorphin, aber auch fçr Wachstumshormon und Prolactin. Besonders Makrophagen sind reich mit Hormonrezeptoren ausgestattet. Ob es Sinn macht, bei Stress das Immunsystem zu drosseln? Was soll Prolactin bewirken? Plausible Antworten sind nicht leicht zu finden; Erkenntnisse gibt es noch kaum.

7.10 Aus der Praxis des Labors: monoklonale Antikærper und Immunfluoreszenz 7.10.1 Antikærper werden in der Forschung und im medizinischen Diagnoselabor benætigt Antikærper haben in der Medizin und in der Forschung groûe Bedeutung als diagnostisches Hilfsmittel, als spezifische Zellmarker und als spezifisch absorbierende Matrixkomponenten in der Affinitåtschromatographie erlangt. Auch die zoologische Systematik kann von Antikærpern Gebrauch machen. In der Mikroskopie wird besonders viel die indirekte Immunfluoreszenz eingesetzt: Der diagnostische Antikærper, der beispielsweise durch Immunisierung eines Kaninchens gewonnen worden ist, findet seine Zelle oder subzellulåre antigene Struktur und haftet daran. Ein zweiter Antikærper erkennt am konstanten Stiel des ersten Antikærpers, dass dieser aus dem Kaninchen stammt, und heftet sich an den Stiel. Dieser zweite Antikærper ist mit einem Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt. Indirekt wird im Mikroskop die Anwesenheit des Antigens durch Aufleuchten des Farbstoffes sichtbar.

7.10.2 Hybridomazellen erzeugen (nahezu) unbeschrånkt lange monoklonale Antikærper gleichbleibender Qualitåt Fçr die Diagnostik wçnscht man sich Antikærper definierter, gleichbleibender Qualitåt und in unbegrenzter Menge. Bei einer Immunisierung werden im Regelfall mehrere B-Stammzellen einen mehr oder weniger passenden Rezeptor haben, oder auch verschiedene B-Zellen unterschiedliche Epitope des gleichen Antigens binden kænnen. Entsprechend wird das ¹Antiserumª, das man gewinnt, Antikærper aufweisen, die von verschiedenen B-Stammzellen codiert werden und daher nicht exakt gleich sind. Das Antiserum bzw. die darin befindlichen Antikærper sind ¹polyklonalª. Monoklonale Antikærper lassen sich gewinnen, wenn eine einzige B-Zelle, die den passenden Antikærper liefern kann, ausgesucht wird. Leider sind produzierende B-Zellen, Plasmazellen also, kurzlebig und kænnen nicht in der Zellkultur vermehrt werden, weil sie ihre Teilungsfåhigkeit eingebçût haben. Bringt man nun B-Stammzellen zur Fusion mit canceræs transformierten B-Vorlåuferzellen, so kann im Glçcksfall unter zahlreichen Fusionsprodukten auch die eine oder andere Hybridomazelle entstehen, die die besonderen Fåhigkeiten beider Ausgangszellen in sich vereinigt: Sie ist unsterblich und in der Kultur vermehrbar wie eine Krebszelle, produziert andererseits den gewçnschten Antikærper wie eine Plasmazelle. Die Kunst des Laborpersonals ist es, in einem Screeningverfahren solche Zellen zu finden. Neuerdings bringt man auch transgene Bakterien oder eukaryontische Laborzellen dazu, Teile von Antikærpern zu erzeugen. Schlieûlich haben Úkonomie und Tierschutz weitere Verfahren gefærdert. Hçhner deponieren in ihren Eiern Antikærper. Man braucht immunisierte Hçhner nur zur fleiûigen Eiproduktion anzuregen. Die aus dem Ei gewonnenen Antikærper heiûen IgY, Y = yolk; sie sind den IgA und IgG der Såuger strukturhomolog.

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

7.11 Vielfalt und Evolution der Abwehrsysteme im Tierreich Wirbellose haben zur Abwehr von Infektionen, Fraûfeinden oder Konkurrenten auûer unspezifischen Mitteln wie physikalischen Barrieren Abwehrsysteme entwickelt, die dem angeborenen Immunsystem der Wirbeltiere gleichen. Beispielsweise wurde bei vielen Wirbellosen ein homologes Komplementsystem zur Vernichtung von fremden Eindringlingen entdeckt. Ûberraschend ist, dass manche Komponenten der Abwehrsysteme sich von Genen ableiten, die in der Embryonalentwicklung ihren Wirkungsbereich haben und in homologer Form in vielen Tiergruppen vorkommen. Es werden aber auch zunehmend mehr Abwehrsysteme entdeckt, die nicht jedermann im Tierreich zur Verfçgung hat.

l

Opsonisierung der pathogenen Eindringlinge mit Lektinen, sodass sie besonders gut von phagocytierenden Håmocyten gefressen werden kænnen.

l

Bildung von bakteriziden (bakterientætenden) bzw. bakteriostatischen (das Bakterienwachstum blockierenden) Peptiden. Sie werden teils konstitutiv, teils nur nach einer Infektion in græûerer Quantitåt hergestellt und heiûen beispielsweise Cecropine, Attacine, Diptericine, Defensine. Mittels molekularbiologischer Methoden hat man mittlerweile so manche homologen Peptide auch in anderen Organismen entdeckt, einschlieûlich dem Menschen (z. B. Defensine).

l

Auch hat man bei Insekten ein Protein gefunden, Håmolin, das der Immunglobulin-Superfamilie angehært, aber kein Antikærper ist. Es bindet LPS von gramnegativen Bakterien und Lipoteichinsåure von grampositiven. Die weitere Funktion gilt es noch zu klåren. Bei Studien zur Expression des Håmolins stellte es sich heraus, dass das Gen auch in den Follikeln des Ovars und in neuralen Zellen des Embryos exprimiert wird. Ob hier eine Doppelfunktion vorliegt wie beim Tolloid- bzw. Tolloid-like-Rezeptor?

l

Toll-åhnliche Rezeptoren: Schnittstelle zwischen Immunologie und der molekularen Embryologie. In der gegenwårtigen Literatur zur Immunologie von Wirbellosen und Wirbeltieren ist viel von toll-like-receptors die Rede. Was hat es damit auf sich? Der TOLL-Rezeptor ist aus der molekularen Entwicklungsbiologie von Drosophila bekannt. Die Eizellmembran des frçhen Embryos (Stadium der superfiziellen Furchung) ist mit TOLL-Rezeptoren bestçckt. Sie warten darauf, dass eine Protease aus der Eihçlle (Chorion) einen Faktor namens SPAETZLE freisetzt und ihnen als Liganden zur Verfçgung stellt. Dies geschieht auf der kçnftigen Ventralseite des Embryo. Ist SPAETZLE an TOLL-Rezeptoren gebunden, weiû der Embryo,

7.11.1 Insekten haben vielerlei Abwehrmechanismen gegen Krankheitserreger zur Verfçgung, manche leiten sich, çberraschend, von entwicklungssteuernden Genen ab Bei Insekten werden all jene Abwehrmechanismen, die wir Eingangs unter angeborenen Immunsystemen kennen gelernt haben, eingesetzt. l

Einkapselung des Parasiten durch melanotische Enkrustierung durch das PO-System. Bakterielle Lipopolysaccharide und pilzliche b-1,3Glucane sind Stimulantien fçr die Aktivierung einer Prophenoloxidase (Abb. 7.17). Dieses in vielen Zellen und der Håmolymphe vorkommende Enzym katalysiert die Synthese eines hochmolekularen, schwarzen Melanins, das die Insekten wie viele andere Wirbellose aus den Aminosåuren Phenylalanin und/oder Tyrosin herstellen. Durch Verstricken und Verweben in das Netzwerk des Melanins werden die Krankheitserreger verklumpt und enkrustiert.

7.11 Vielfalt und Evolution der Abwehrsysteme im Tierreich

wo er die Ventralseite entwickeln soll (Nåheres z. B. in Mçller u. Hassel 2006). Bei der Analyse der Rezeptoren, mit denen verschiedene Phagocyten, einschlieûlich der Coelomocyten der Arthropoden und der Makrophagen der Wirbeltiere, ausgestattet sind und ihnen helfen, Bakterien und parasitische Pilze aufzuspçren (pattern recognition receptors), hat es sich çberraschend herausgestellt, dass viele dieser Rezeptoren groûe Sequenzçbereinstimmung mit dem TOLL-Rezeptor haben. Offenbar sind diese Rezeptoren alle aus einem gemeinsamen Ur-Gen hervorgegangen. Ein fçr die Steuerung der Entwicklung benætigter Rezeptor ist, so wird angenommen, in vielen Varianten aufgetaucht und wurde zu anderen Zwecken nutzbar gemacht. 7.11.2 Abwehr von Raumkonkurrenten bei sessilen Organismen

ren auf ihrer Oberflåche einen Personalausweis in Form von Glykoproteinen. Deren Feinstruktur ist individualspezifisch und genetisch determiniert; allernåchste Verwandte (Eltern, Geschwister) haben oft den gleichen oder einen åhnlichen Ausweis. Eine Seerose, die erkennt, dass eine nichtverwandte Nachbarin um den gleichen Lebensraum konkurriert, vertreibt diese mit besonderen Nesselzellen. Auch die Hydrozoenkolonie Hydractinia (s. Abb. 26.8) bekåmpft allogene (= genetisch fremde) Konkurrenten um das Substrat mit spezifischen, zu diesem Zweck hergestellten Nesselzellen. Die angesprochenen individualspezifischen Oberflåchenmolekçle sind sehr wahrscheinlich auch involviert bei der Gewebe-Unvertråglichkeit (Histo-Inkompatibilitåt), die man schon bei diesen niederen Tieren im Transplantationsversuch beobachtet.

Sessile Tiere, Seerosen, Kolonien von Korallen, Hydrozoen, Bryozoen und Tunikaten, pråsentie-

Abb. 7.16. Immunglobulin-Superfamilie. Ausgewåhlte, in Immunreaktionen involvierte Vertreter

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

7.11.3 Das adaptive Immunsystem mit seinen Antikærpern ist vermutlich in der Evolution der Chordaten entstanden Immunglobuline, d. h. Antikærper, sind bislang nur bei Wirbeltieren gefunden worden. Allerdings sind Immunglobuline nur eine Unterfamilie einer sehr umfangreichen Protein- bzw. Genfamilie, der Immunglobulin-Superfamilie. Diese Familie umfasst neben den sezernierten Antikærpern (IgM, IgG, IgA, IgE, IgD) die B- und T-Zell-Rezeptoren, den MHC und eine Reihe membranståndiger Mo-

lekçle, die als Zelladhåsionsmolekçle bekannt sind. Charakteristikum der Superfamilie sind Domånen im extrazellulåren Molekçlbereich, die ca. 100 Aminosåuren umfassen, b-Faltblattstruktur aufweisen und durch konservierte Disulfidbrçcken in ihrer dreidimensionalen Struktur verfestigt sind (Abb. 7.16). Mitglieder dieser Superfamilie finden sich auch bei Wirbellosen und dienen als integrale Membranproteine dem physikalischen Zusammenhalt der Zellen und der wechselseitigen Zellerkennung.

Abb. 7.17. Melanin-Synthese und Rolle der Prophenoloxidase. Die Bildung eines Netzwerks von hochmolekularem Melanin zur Einkapselung von Parasiten und Infektionskeimen ist Teil des angeborenen Immunsystems der Insekten und anderer Invertebraten

7.11 Vielfalt und Evolution der Abwehrsysteme im Tierreich

Bemerkenswert ist das Vorkommen des MHC bereits bei Tunikaten, namentlich bei sessilen Ascidien. Eine Hypothese versucht, diesen Befund in Zusammenhang mit der sessilen Lebensweise auf einem begrenzten Substrat zu bringen. Vor allem koloniale Ascidien (z. B. Botryllus schlosseri) kænnen, wenn sich die Kolonie beispielsweise auf einem Stein oder einer Schneckenschale ausdehnt, in Berçhrung zu Nachbarkolonien kommen. Wenn man den Nachbarn als fremd erkennt, kann man sich gegen ihn abgrenzen und versuchen, ihn abzudrången, um den Lebensraum allein beanspruchen zu kænnen. Ein MHC mag primår als Ausweis der genetischen Identitåt oder Nichtidentitåt entwickelt worden sein. Die Erfindung des råtselhaften MHC kænnte im Wirbeltier dann geholfen ha-

Zusammenfassung des Kapitels 7 Aufgabe des Immunsystems ist es, gealterte, entartete und virusinfizierte kærpereigene Zellen, fremde Eindringlinge und makromolekulare Fremdsubstanzen (Antigene) zu beseitigen. Dazu mçssen Fremdzellen und Fremdmaterialien erst einmal als solche erkannt werden. Im ganzen Tierreich gibt es hierzu angeborene Immunsysteme, repråsentiert vor allem von Phagocyten, die mittels einer Kollektion besonderer pattern recognition receptors PRR an spezifische Oberflåchenstrukturen von Bakterien, Pilzen und anderen Parasiten binden und deren Phagocytose ermæglichen. Das ¹Wissenª um diese charakteristischen molekularen Strukturen, d. h. die Fåhigkeit PRR herzustellen, die beispielsweise Lipopolysaccharide LPS der gramnegativen Bakterien oder b-1,3-Glucane der Hefepilze binden kænnen, ist in der Evolution erworben worden. Darçber hinaus werden Infektionen durch bakteriocide Peptide bekåmpft, oder es werden, wie bei Insekten, mittels Prophenoloxidasen aus Phenylalanin schwarze makromolekulare Melanin-Gespinste zur Einkapselung von Parasiten hergestellt. Auch gibt es bereits bei Wirbellosen Komplementfaktoren ± das sind Enzymkaskaden, die

ben, den Lernprozess, der zur Unterscheidung von Selbst und Nichtselbst in jeder Ontogenie geleistet werden muss, zu erleichtern. Sogar bei Coelenteraten, bei denen ein MHC noch nicht bekannt ist, findet man die Fåhigkeit, genetisch fremde (allogene) Nachbarn als fremd zu identifizieren und zu bekåmpfen. Versuche zeigen, dass bei fehlender Abgrenzung verschiedene Individuen (besonders Geschwister sind oftmals gewebevertråglich) zu Chimåren verwachsen kænnen. In solchen Chimåren kænnen Urkeimzellen des Nachbarn in ein Individuum eindringen und dessen eigene Keimzellen verdrången. Abgrenzung mittels individualspezifischer Oberflåchenmolekçle verhindert ¹Parasitismusª durch genetisch fremde Keimzellen.

Perforine zum Durchlæchern fremder Zellmembranen herstellen. Angeborene (innate) Immunsysteme reagieren rasch, kænnen aber nicht rasch auf noch Unbekanntes ausgeweitet werden, weil erst passende Erkennungsrezeptoren gefunden werden mçssen. Wirbeltiere haben darçber hinaus ein lernfåhiges Immunsystem, das es ihnen ermæglicht, in wenigen Tagen auf neue und noch unbekannte Antigene zu reagieren und spezifische Antikærper zu entwickeln. Lernende und handelnde Zellen sind Lymphocyten, speziell B-Zellen und T-Zellen, die mit ihren Rezeptoren (BC-R und TC-R) die Anwesenheit eines Antigens erspçren. Die Y-færmigen Antikærper entsprechen in ihrer tetrameren Struktur (2L + 2H-Ketten) weitgehend den BC-R und werden von Plasmazellen, Abkæmmlingen der B-Zellen, produziert. Die Lernstrategie besteht darin, dass in B- und T-Stammzellpopulationen jede Stammzelle durch ein Zufallsspiel einen Rezeptor beliebiger Spezifitåt herstellt, und ein gebundenes Antigen jene Stammzellen zur Vermehrung stimuliert, die zufållig einen passenden Rezeptor gefunden haben (positive klonale Selektion). Das Zufallsspiel besteht darin, dass aus einer groûen Auswahl von DNASegmenten (z. B. 100 V-, 50 D-, 6 J- und

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7 Immunologie und die Entsorgung groûer Abfallprodukte

9 C-Segmente fçr die H-Kette des BC-R) mehrere Segmente durch eine somatische Rekombination aneinander gekoppelt und zur Codierung der Rezeptoren benutzt werden. Groûe Mannigfaltigkeit, teilweise erweitert durch variables Processing der mRNA, herrscht bei der Codierung der Antigenbindungstaschen (der BC-R und entsprechend die Antikærper haben zwei Taschen, der TC-R hat eine). Ein Teil der positiv ausgelesenen B- und T-Stammzellen wird als Gedåchtniszellen fçr zukçnftige Immunreaktionen in lymphatischen Organen beiseite gelegt. Austausch des Endstçcks (C-Region) der Antikærper gegen andere C-Segmente ermæglicht es B-Zellen, fçr verschiedene Funktionen verschiedene Klassen von Antikærpern gleicher Antigen-Spezifitåt herzustellen. IgG-Antikærper verklumpen gelæste Antigene und markieren Oberflåchenantigene fremder Zellen, und læsen dadurch deren Phagocytose durch Makrophagen aus. Markierung durch IgG (Opsonierung) læst auch Komplementreaktionen aus. IgA werden in die Muttermilch sezerniert und dem Såugling zur Verfçgung gestellt. Besonders komplexe Reaktionen helfen Antigene zu erkennen, die Proteinnatur haben, intrazellulår und beispielsweise von viralen Genomen codiert sind. Von Bedeutung sind hier MHC (mayor histocompatibility complex) genannte dimere Oberflåchenmolekçle der kærpereigenen Zellen, von denen es viele individualspezifische Varianten gibt, und T-Zellen mit ihren Subgruppen T-Helfer- und cytotoxische T-(Killer-)Zellen. Intrazellulåre Proteine jeglicher Art werden laufend durch Proteasome in Bruchstçcke zerlegt; ca. 9 AS-lange Peptide werden alsdann in eine Rinne der MHC-Komplexe gelegt und mit diesen an die Zelloberflåche gebracht. Die so mittels MHC pråsentierten

Antigene werden von T-Helferzellen mit ihrem TC-R kontrolliert. Wird ein Antigen als fremd erkannt, werden çber Signalmolekçle (Interleukine, Cytokine) aggressive Reaktionen ausgelæst, beispielsweise wird eine virusinfizierte Zelle durch cytotoxische T-Killerzellen abgetætet. HIV-Viren allerdings befallen gerade Zellen des Immunsystems (T-Helfer) und verursachen dadurch AIDS (acquired immunodeficiency syndrome). Eine weitere Klasse von Immunzellen, die NK-Zellen (natural killer cells), greifen Zellen an, die gar keinen MHC haben und sich so als Parasiten verraten. Da die Vielfalt der TC-R und BC-R, und mit diesen auch der Antikærper, durch zufållige somatische Rekombination erzeugt wird, ist es unausbleiblich, dass auch kærpereigene Substanzen gebunden werden kænnten ± was eine Autoimmunreaktion zur Folge håtte. In einem Prozess des Lernens, der sich im Thymus und anderen lymphatischen Organen abspielt, werden Immunzellen, die sich gegen Kærpereigenes richten kænnten, durch Apoptose eliminiert. Das bekannte AB0-Blutgruppensystem ist Ergebnis dieses Lernvorgangs. Der Lernvorgang ist noch weitgehend unverstanden. Die gegenwårtige Forschung untersucht schwerpunktmåûig die Elimination potentiell autoaggressiver T-Zellen, denen in der Lernphase durch dendritische Zellen vielerlei kærpereigene Peptidbruchstçcke pråsentiert werden. Das lernfåhige Immunsystem birgt auch Risiken. Ûberschieûende Reaktionen fçhren zu Allergien, Fehler beim Lernprozess zu Autoimmunkrankheiten wie multiple Sklerose und Typ-I-Diabetes. Es werden auch Labormethoden vorgestellt, die auf (polyklonalen oder monoklonalen) Antikærpern basieren.

8

Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane nebst einer Tauch- und Bergexkursion

8.1 Was ¹Atmungª meinen kann 8.1.1 Atmung als ¹åuûere Atmungª heiût: Versorgung des Kærpers mit Sauerstoff und seine Entsorgung von Kohlendioxid Leben beruht auf unaufhærlichem Energieumsatz. Unsere Zellen fordern ståndig Sauerstoff O2 an, mçssen andererseits das in den Mitochondrien anfallende Kohlendioxid CO2 rasch loswerden. Der Mensch kann wochenlang, manche Tiere monatelang, ohne Nahrungsaufnahme leben, aber nur wenige Minuten ohne Atemzug. Auch scheinbar anspruchslose Tiere sind hier recht empfindlich. Eine Verarmung des Wassers an Sauerstoff kann schnell dazu fçhren, dass Fische mit dem Bauch nach oben an die Wasseroberflåche kommen ± aber tot. In diesem Kapitel geht es um die ¹åuûere Atmungª, das heiût darum, wie der Sauerstoff zu unseren Zellen gelangt und wie das Abfallprodukt CO2 ohne Schaden entsorgt werden kann. Sauerstoff-Versorgung und Kohlendioxid-Entsorgung wird im Lehrbuch oft auch unter der Ûberschrift ¹Gasaustauschª abgehandelt. 8.1.2 Lehrbçcher kennen aber auch eine ¹innere Atmungª, worunter der zellinterne oxidative Stoffwechsel verstanden wird ¹Innere Atmungª meint den oxidativen Stoffwechsel in den Mitochondrien der einzelnen Zellen. Die Energiegewinnung çber Citratcyclus und

Atmungskette haben wir ja schon besprochen (s. Kap. 2) und wir wissen auch, dass der respiratorische Quotient, das Verhåltnis von ausgeatmetem CO2 zu eingeatmetem O2 (RQ =CO2/O2, in Liter) uns Hinweise gibt, ob unsere Zellen im Augenblick çberwiegend Kohlenhydrate oder Fette ¹veratmenª.

8.2 Diffusion und Konvektion der Atemgase 8.2.1 Partialdruckdifferenzen bestimmen die generelle Richtung des Gasflusses Beim Thema Sauerstofftransport kommt uns sogleich der rote Blutfarbstoff, das Håmoglobin, in den Sinn. Fçr die Richtung des Gastransports ist der rote Blutfarbstoff jedoch nicht von Belang. Es sind allein die Unterschiede in den Partialdrçcken (pO2, pCO2) zwischen Luft und venæsem Blut, welche die Richtung bestimmen (Abb. 8.2). 8.2.2 Im groûen Kærper reicht Diffusion nicht aus; sie muss von Ventilation, Perfusion und Konvektion unterstçtzt werden Die Mengen an Sauerstoff, die in der Zeiteinheit im Kærper verteilt werden kænnen, und die Mengen an Kohlendioxid, die eingesammelt und entsorgt werden kænnen, werden nicht nur von den jeweiligen Partialdruck-Differenzen bestimmt. l

AlserstesistdieDimensionderAustauschflåchen wichtig. Daher sind die Alveolen in der Lunge winzig (0,2±0,3 mm) und zahlreich (ca. 300 Mil-

192

8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

BOX K 8.1

Zur Physik der Atemgase

II. Partialdrçcke in der Gasphase

I. Drçcke und Druckeinheiten; eine Rekapitulation vor dem Durchatmen und Tauchen Druck ist definiert als Quotient Kraft/Flåche. Innerhalb von Gasen bzw. Flçssigkeiten kann der Druck zwar von Stelle zu Stelle wechseln ± beispielsweise nimmt der hydrostatische Druck, der auf dem Taucher lastet, mit zunehmender Tauchtiefe zu ± ist aber an jeder Stelle richtungsunabhångig. Auf eine dorthin gebrachte Flåche wirkt er unabhångig von deren Orientierung: auf die Bauchseite wirkt er nicht minder als auf die Rçckenseite des Tauchers. (In festen Kærpern, z. B. im aufspringenden Bein, ist der Druck hingegen richtungsabhångig, also eine vektorielle Græûe.) In der Luft und im Wasser wirkt der Druck nach allen Richtungen mit demselben Betrag.

Die Richtung, in der sich die Mehrzahl der Molekçle in ihrer ungeordneten thermischen Bewegung forttreiben låsst (translatorische, fortschreitende Bewegung im Raum), wird von der Richtung des Konzentrationsgefålles bestimmt. Dies gilt auch fçr die Atemgase Sauerstoff O2 und Kohlendioxid CO2, ob sich die Molekçle nun in der Gasphase ¹Luftª befinden oder in Wasser gelæst. In Luft wie im Læsungsmittel Wasser ist die Konzentration eines Gases åquivalent zum Partialdruck. Entzieht man Luft den Sauerstoff, sinkt der Luftdruck um 21%. Offenbar trågt der Sauerstoff zu 21% zum Gesamtluftdruck bei. Sein Partialdruck pO2 ist 21 kPa (genauer 20,95% ± kleine Ungenauigkeiten wollen wir in Anbetracht der tåglichen Luftdruckschwankungen und zur Entlastung unseres Gedåchtnisses gerne in Kauf nehmen). Natur und Physiker machen es uns ausnahmsweise einmal leicht:

p (pressure) ˆ Grundeinheit:

F…force† A…area†

N ˆ 1 Pascal ˆ 1 Pa m2

l

1 hPa (Hektopascal) = 102 Pa = 100 Pa 1 kPa (Kilopascal) = 103 Pa = 1000 Pa

l

Andere Einheiten: 1 bar = 1000 mbar = 10 N/cm2 = 105 Pa Dies entspricht dem Druck von 1 kg auf 1 cm Unterlagsflåche

2

l

1 mbar = 100 N/m = 1 hPa

1 Torr = 1 mmHg (Quecksilbersåule); es gilt: 760 Torr = 1013 mbar = 101,3 kPa.

21 Volumenprozent ˆ b 21% Partialdruck ˆ b 21 kPa ˆ b 0,21 ´ 760 mmHg.

Standardluft (wasserfrei, Meeresspiegel, gemittelte und gerundete Werte) hat

2

Dies entspricht dem Druck von 1 g auf 1 cm2. Bei (ålteren) Anzeigeinstrumenten des Labors und in der physiologischen Literatur liest man noch oft alte Einheiten, die im amtlichen Verkehr nicht mehr benutzt werden sollen.

100 Volumenprozent ˆ b 100% Gesamtluftdruck ˆ b 101 kPa ˆ b 760 mmHg

l

l

79% Volumenanteil ˆ b 79% molarer Anteil ˆ b 79 kPa Stickstoff

21% Volumenanteil ˆ b 21% molarer Anteil ˆ b 21 kPa Sauerstoff 0,03% Volumenanteil ˆ b 0,03 kPa Kohlendioxid

l

Rest: Edelgase, Ozon etc.,

l

dazu 6,3 kPa H2O-Dampf bei 37 8C und Såttigung. "

8.2 Diffusion und Konvektion der Atemgase

193

BOX K 8.1 (Fortsetzung)

Die an einem gegebenen Ort in der Luft tatsåchlich vorhandenen Mengen ± und entsprechend die Drçcke ± sind allerdings sehr stark von der Hæhe des Ortes çber dem Meeresspiegel abhångig (Tabelle 8.1). Physikalische Normbedingungen: Angaben bei Gasen beziehen sich in der Regel auf Normbedingungen (irrefçhrend auch Normalbedingungen genannt). Sie liegen vor bei einem åuûeren Druck von 1013 mbar bei einer (nicht eben normalen) Temperatur von 0 8C. Normdruck p0 = 1013 mbar = 1,013 bar = 101 kPa (= 760 Torr) Normtemperatur T0 = 0 8C = 273,15 K. Normvolumen V0 eines Gases ist das Volumen eines Mols unter Normbedingungen. Fçr såmtliche idealen Gase, und darunter fallen auch O2 und CO2, ist das Normvolumen gleich (Gesetz von Avogadro): V0 = 22,4 Liter (genauer: 22,414 l). Dabei ist 1 Mol definitionsgemåû eine Teilchenzahl (also nicht eine Masse), gegeben durch die Avogadro-Konstante NA = 6,022 ´ 1023 Teilchen/mol. Entsprechend enthalten 22,41 Liter Sauerstoffgas 6,022 ´ 1023 O2-Molekçle. Partialdruck. Der Druck eines Gases ist proportional zur Zahl seiner Molekçle und damit auch zu seiner molaren Konzentration, unabhångig davon, ob noch andere Gase anwesend sind oder nicht. Daher gilt: Der Partialdruck eines bestimmten Gases innerhalb eines Gasgemisches entspricht dem Anteil seiner Molekçle, d. h. seiner molaren Konzentration.

Entsprechend sind auch die Zahlen der Molekçle, die sich im Volumen Luft befinden, aufgegliedert. Ein Liter Luft enthålt 20,95% der Avogadrozahl, das sind = 1,265´1023 O2-Molekçle. Der Partialdruck von Sauerstoff in der Luft ist: l molarer Anteil: 20,95% = 20,95/100 = 0,2095 l Partialdruck pO2 = 0,2095 ´ p0 = 0,2095 ´ 101,3 kPa = 21,22 kPa III. Partialdruck und gelæste Menge im Wasser: hier gibt es Probleme Sofern ein Konzentrationsgefålle vorliegt, dringen Gasmolekçle in Wasser ein. Den ungeordneten thermischen Molekçlbewegungen çberlagert sich eine Driftbewegung in Richtung des Konzentrationsgefålles. Wann aber ist Konzentrationsausgleich erreicht, wenn Luft und Wasser aneinander grenzen? Misst man die Menge an Sauerstoff, die im Wasser gelæst ist, fallen beachtliche Unterschiede zur Luft auf. Die Konzentration (Volumenprozent) ist extrem schwankend und auch im gçnstigsten Fall viel geringer als in der Luft. Zwar læst sich jedes Gas im Wasser nach Maûgabe seines Partialdruckes, bis schlieûlich Gleichgewicht der Partialdrçcke in Luft und Wasser herrscht. Ist das Wasser mit Sauerstoff voll gesåttigt, ist sein Partialdruck 21 kPa wie in der Luft. Gleichgewicht und Såttigung werden freilich nur bei langer, kråftiger Durchlçftung erreicht. Doch das ist nicht das Hauptproblem. Nach dem Gesetz von Henry ist die Menge an gelæstem Gas M nicht nur eine Funktion des Partialdruckes Px sondern auch eine Funktion des gasspezifischen Læslichkeitskoeffizienten ax: Mx = ax ´ Px ´ Volumen V. Es kommen weitere Parameter ins Spiel: l die fçr O2 und CO2 unterschiedlichen Læslichkeitskoeffizienten. Sauerstoff hat nur 1/20 der Læslichkeit von Kohlendioxid (Tabelle 8.2), "

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

BOX K 8.1 (Fortsetzung) l l

die Temperaturabhångigkeit der Læslichkeit, die Abhångigkeit von Wassertiefe und Salzgehalt.

Salzgehalt erniedrigt die Læslichkeit fçr Sauerstoff ± und Blutplasma ist eine Salzlæsung! Enthålt 1 Liter Luft 210 ml Sauerstoff, so enthålt bei 37 8C und Såttigung 1 Liter Blutplasma lediglich 4 ml Sauerstoff. Um diese geringe Kapazitåt aufzubessern, haben tierische Organismen die Blutfarbstoffe, z. B. Håmoglobin, erfunden. Der CO2-Gehalt des Blutplasmas kann erheblich hæher sein als der CO2-Gehalt von luftdurchperltem Wasser. Die Læslichkeit von CO2 ist 20fach hæher als die von Sauerstoff, und wenn die Gewebe CO2 produzieren, ist der Partialdruck im Blut sehr schnell hæher als in der Luft. Hingegen kann der pO2 im Kærper nur geringer als in der Luft sein, weil es im tierischen Organismus nur Sauerstoffverbrauch aber keine Sauerstoffproduktion gibt (es sei denn, man beherberge ± wie viele Korallenpolypen ± symbiontische Algen). IV. Gesetze der Diffusion Physikalische Grundbeobachtungen. Existieren innerhalb eines Gases oder Gasgemisches Unterschiede in den ærtlichen Partialdrçcken, dann findet ein Druckausgleich durch Diffusion statt. (Das trifft allerdings nicht fçr den Schweredruck zu!) Sind verschiedene Gase anfånglich råumlich getrennt, dann diffundieren sie im Laufe der Zeit ineinander, auch wenn der Manometer keinen Unterschied im Gesamtdruck zwischen den beiden Råumen messen kann. Parfum verbreitet sich in die Umgebung, auch wenn kein Luftdruckgefålle vorliegt. Ein Gefålle im Partialdruck der Parfummolekçle gençgt. Was fçr Molekçle in der Gasphase gilt, gilt entsprechend fçr Molekçle, die in Flçssigkeit gelæst sind.

Fçr die Physiologie sind von besonderer Bedeutung stationåre Diffusionsvorgånge, bei denen auf der einen Seite einer Grenzflåche laufend Molekçle (z. B. CO2, Blutzucker) zustræmen, auf der anderen Seite wegdiffundieren. Wir betrachten daher jene Fålle, in denen diffusionsfåhige Molekçle (Substanz S) eine Zelle betreten oder verlassen, oder ein Epithel (Lungen-, Kiemenepithel, Kapillaren-Endothel) durchqueren. Da beståndig Substanz S zu- und abflieût, diffundiert durch die gegebene Flåche A (area) in jeder Sekunde die gleiche Menge M der betrachteten Substanz S. Wieviel von S diffundiert, ist eine Funktion des Dichtegefålles, d. h. des Partialdruck-Gradienten (Druckånderung pro Långeneinheit) bzw. des Konzentrationsgradienten. Die Mengendichte an der Stelle x sei R(x); dann ist der Dichtegradient dR/dx. In der Zeit t diffundiert durch die Grenzflåche A eine Menge M der Substanz S gemåû: Mˆ

DA

dR  t; dx

dabei ist D der stoffspezifische Diffusionskoeffizient (Einheit: m/s). Fçr den (Massen-)Strom J = M/t, d. h. fçr die in der Zeiteinheit hindurchstræmende Menge gilt dann M dR ˆ DA t dx (1. Fick'sches Gesetz fçr 1 Dimension)

Jˆ

Man kann das Gesetz auch fçr molare Konzentrationen formulieren und den Diffusionskoeffizienten D durch den Permeabilitåtskoeffizienten P ersetzen. Diese ist bei Diffusion durch Membranen angebracht. Ist dCS/dx der Konzentrationsgradient (Konzentrationsånderung je Långeneinheit) so gilt fçr den Diffusionsstrom J = n Mol/t (Zahl der Mole, welche die Flåche A pro Sekunde durch" queren):

8.2 Diffusion und Konvektion der Atemgase

BOX K 8.1 (Fortsetzung)

Jˆ

PA

dCS dx

(1. Fick'sches Gesetz)

In Worten: 1. Fick'sches Diffusionsgesetz. Der Fluss J (Massenstrom, die in einem Zeitraum stræmende Menge an S) ist proportional dem ærtlichen Konzentrationsgradienten und der Græûe der permeablen Grenzflåche A, aber umgekehrt proportional der zu bewåltigenden Strecke v. Darçber hinaus ist der Fluss eine Funktion des stoffspezifischen Diffusionskoeffizienten D bzw. des stoff- und membranspezifischen Permeabilitåtskoeffizienten P. Die Austauschflåche sollte also groû, die Dicke der Epithelien gering sein. Atemorgane machen sichtbar, dass die Evolution das Fick'sche Diffusionsgesetz zu berçcksichtigen wusste. Von besonderer Bedeutung ist auch die Geschwindigkeit, mit der sich die Molekçle von einer Grenzschicht wegbewegen. Ûber eine Zellmembran hinweg bewegen sich O2 und CO2 blitzartig; dann aber verlangsamt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit mehr und mehr. Tabelle 8.1. Hæhenabhångigkeit des Sauerstoff- und Kohlendioxidgehaltes der Luft sowie weiterer Parameter Hæhe

Meeresspiegel 5000 m (Mont Blanc) 8848 m (Mount Everest)

pO2

pCO2

Luftdruck (pO2+pCO2 +pN2+pH2O)

21,1 kPa 11,1 kPa

0,03 kPa 0,01 kPa

100 kPa 56 kPa

6,9 kPa

0,01 kPa

30 kPa

Temperatur

Wasserdampf in g/m3 Luft

UV-B-Strahlung

9000 m ±40 8C 5000 m ±10 8C 0 m ±30 8C

< 0,1 <1 30 bei 30 8C

? 125% 100%

Grund dafçr ist, dass die Wandergeschwindigkeit der Molekçlschar eine Funktion der ærtlichen Konzentrationsdifferenz (bzw. des Konzentrationsgradienten dCS /dx) ist, ebenso wie der Wårmefluss eine Funktion des Temperaturgefålles (Temperaturdifferenz/Långeneinheit). In der Regel ist çber die Membran hinweg das Gefålle sehr hoch. Schon bei kleiner Konzentrationsdifferenz ist das Gefålle hoch, weil die Gefållestrecke sehr kurz ist. Wenn aber dann die Molekçle von der Membran weg in die wåssrige Umgebung schwimmen, breiten sie sich in allen drei Raumrichtungen aus. Die Bewegung weg von der Flåche (zwei Dimensionen) hinein in den Raum (drei Dimensionen) hat zur Folge, dass die Konzentration mit dem Quadrat der Entfernung von der Membran abnimmt. Entsprechend nimmt auch die Diffusionsgeschwindigkeit ab. Eine doppelt lange Wegstrecke beansprucht die vierfache Zeit (Abb. 8.1; konkrete Werte s. Tabelle 3.1). Diffusion muss also durch Massenstræmung (Ventilation, Konvektion) unterstçtzt werden, die durch Druckdifferenzen erzeugt wird. Tabelle 8.2. Konzentrationen der Luftgase in Wasser gemåû Læslichkeitskoeffizient und Temperatur bei 21 kPa O2 und 0,03 kPa CO2 bei voller Såttigung in oberflåchennahem dest. Wasser

O2 molare Konz. Volumenkonz. CO2 molare Konz. Volumenkonz.

Wasser 0 8C

20 8C

37 8C

445,7 10,81 23,0 0,61

287,7 6,98 11,6 0,31

220,6 lmol/l 5,35 ml/l 7,5 lmol/l 0,2 ml/l

195

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane Abb. 8.1. Diffusion: Stromstårke (Fluss) als Funktion der Entfernung von der Quelle, die durch eine permeable Membran vom Diffusionsraum getrennt ist. Wegen des Ûbergangs von der zweidimensionalen Grenzflåche in den dreidimensionalen Raum nehmen Konzentration und Diffusionsgeschwindigkeit ab. Als Geschwindigkeit ist die durchschnittliche Wanderstrecke/Zeit einer Molekçlschar (z. B. 37% der Molekçle) in X-Richtung (weg von der Membran) definiert

lionen). Die Lunge des Menschen hat eine Austauschflåchevon50bis 140 m2.AuchKiemenund die reichveråstelten Tracheen der Insekten zeugen davon, dass die Natur dem Parameter Oberflåche Rechnung trågt. l

Die Diffusionsstrecken werden mæglichst kurz gehalten. Ein Korallenpolyp und eine Qualle haben in dieser Hinsicht wenig Probleme. Notfalls helfen seewasserdurchspçlte, ins Kærper-

innere fçhrende Kanåle, die Gastrovaskularsysteme. Auch die Echinodermen (Seesterne, Seeigel, Seegurken) leiten çber ein Kanalsystem Auûenwasser ins Kærperinnere. Doch was machen massenreiche Tiere mit wasserdichter Haut? Was macht der Mensch? Zwar sind die Epithelien von Lunge und Blutkapillaren dçnn. Doch ist es ein weiter Weg von der Nase bis zum groûen Zeh. Hier helfen Ventilation, Perfusion und Konvektion, Ventilation des Rau-

8.2 Diffusion und Konvektion der Atemgase

Abb. 8.2. Atemgase: Partialdruck-Verhåltnisse zwischen Auûenluft und dem Inneren von Kærperzellen mit Lungenluft und Blut als Vermittler

mes von der Nase bis in die Lungenalveolen, Perfusion der Lunge mit Blut, Konvektion im Blutkreislauf (Abb. 8.3). In all diesen Fållen liefern periodisch erzeugte hydrodynamische Druckdifferenzen die treibenden Kråfte. Die rhythmische Ventilation der Lunge wird von der rhythmischen Erweiterung und Verengung des Brustraums, die Perfusions- und Konvektionsstræmung des Blutes wird vom pulsierenden Herzen angetrieben. Das letzte Stçckchen Weges vom Kapillarenblut heraus in die Zellen hinein mçssen die O2-Molekçle dann aber doch ¹zu Fuûª gehen, d. h. per Diffusion bewåltigen (Abb. 8.4).

Abb. 8.3. Physikalische Stræmungen, die den Transport der Atemgase unterstçtzen

l

Um die Kapazitåt der Transportflçssigkeit fçr Sauerstoff zu erhæhen, sind in der Evolution sauerstoffbindende Pigmente erfunden worden. Das Blutplasma des Menschen hat als salzhaltiges Wasser von 37 8C eine sehr bescheidene Læsungskapazitåt. Wåhrend ein Liter Luft 210 ml Sauerstoff enthålt, læst Blutplasma auch bei voller Såttigung nur 4 ml O2. Blut mit seinen Erythrocyten hat jedoch eine Kapazitåt von ca. 200 ml O2. Ein Liter Blut mit seinen roten Blutkærperchen kann bei voller Såttigung fast soviel Sauerstoff wie ein Liter Luft transportieren.

Diese Punkte werden im Folgenden nåher betrachtet.

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

Abb. 8.4. Lungenalveole, schematischer Querschnitt. Das Surfactant, eine Art natçrliches Detergenz, dient zur Minderung der Oberflåchenspannung des Wassers im Oberflåchenfilm. Ohne Surfactant wçrde die Alveole kollabieren

8.3 Håmoglobin, Myoglobin und andere Sauerstoffspeicher 8.3.1 Wirbeltiere besitzen zwei interne Sauerstoffspeicher: Håmoglobin und Myoglobin Håmoglobin ist der Sauerstoffspeicher der Erythrocyten, der roten Blutkærperchen, Myoglobin ist der Sauerstoffspeicher der roten Muskelzellen. In beiden Fållen ist es der rote Håm-Ring, der Sauerstoff reversibel bindet. Dieser Ring wird festgehalten von einer Proteinkette, dem Globin. Beim Håmoglobin treten vier solche Håm-tragenden Proteinketten, zwei a- und zwei b-Ketten, zu einem Tetramer zusammen (Abb. 8.5). Entsprechend bindet ein Tetramer vier Molekçle O2. Myoglobin ist ein Monomer: eine Myoglobinkette trågt einen Håmring, der ein O2-Molekçl bindet. Mit Sauerstoff beladene Håmoglobin- oder Myoglobin-Mo-

Abb. 8.5. Quartårstruktur des tetrameren Håmoglobin im Vergleich zum monomeren Myoglobin, vereinfacht

lekçle sind oxygeniert (nicht ¹oxidiertª!). Bei Håmoglobin sind die Bezeichnung Oxyhåmoglobin und das Kçrzel HbO2 çblich; die O2-freie Form heiût Deoxy-Hb oder schlicht Hb. Håmoglobin- und myoglobinåhnliche Molekçle sind im Tierreich weit verbreitet, selbst bei Protozoen wurden mehrfach welche gesichtet. Man findet sie z. B. in Echinodermen (Seeigel, Seesterne u. a.), Anneliden (Regenwçrmern), einigen Crustaceen und vereinzelt auch in Insekten (Zuckmçckenlarven), Nematoden und Mollusken. Sein sporadisches Auftreten in Tiergruppen, die sonst kein Håmoglobin besitzen, nåhrt Spekulationen çber seine Evolutionsgeschichte. Eine Håmgruppe haben auch die Cytochrome in der Atmungskette der Mitochondrien und einige Redoxenzyme (z. B. Katalase). Aus solchen Håm-tragenden Zellproteinen dçrften sich mehrfach und unabhångig voneinander Håmoglobin- bzw. myoglobinåhnliche Farbstoffe entwickelt haben. So besitzen die roten Zuckmçckenlarven (Chironomiden) in unseren Gewåssern Håmoglobin in ihrer Håmolymphe

8.3 Håmoglobin, Myoglobin und andere Sauerstoffspeicher

gelæst. Sonst haben Insekten keine O2-bindenden Pigmente, sondern fçhren den Sauerstoff çber das fein veråstelte Ræhrensystem der Tracheen direkt an die Kærperzellen heran. Håmoglobin kann, wie die roten Zuckmçckenlarven zeigen, direkt im Blut (bzw. Håmolymphe) gelæst sein. Warum sind die Pigmente bei Wirbeltieren in Zellen, den Erythrocyten, eingepfercht? Der Sauerstoff muss doch zusåtzlich zweimal eine Zellmembran passieren, einmal wenn er in die roten Blutzellen stræmt, und ein zweites Mal, wenn er sie wieder verlåsst. Die Antwort ist: In Zellen kann eine hæhere Speicherdichte erreicht werden. Wenn alles Håmoglobin unserer Erythrocyten im Blutplasma gelæst wåre, wåre das Blut zåhflçssig. Allerdings beeinflussen auch die roten Blutkærperchen die faktische Viskositåt des Blutes. Der Mediziner bestimmt als indirektes Maû der Zåhflçssigkeit den Håmatokrit: Volumen% der roten Blutkærperchen pro ml Blut. Normalerweise nehmen die Erythrocyten knapp die Hålfte des Blutvolumens ein (Håmatokrit 0,42 bei Frauen und 0,47 bei Månnern). Der Zoophysiologe kennt neben Håmoglobin einige weitere sauerstoffbindende Pigmente: l das Håmocyanin, ein kupferhaltiges Protein. Mit Sauerstoff ist das Molekçl blau, ohne farblos. Vorkommen: weitverbreitet unter den Mollusken, Krebsen und Spinnen; l das Håmerythrin, ein eisenhaltiges Nicht-Håm-Protein, violett im O2-beladenen, farblos im unbeladenen Zustand. Vorkommen: marine, bodenbewohnende Invertebraten wie Brachiopoden, Priapuliden, Sipunculiden, Echiuriden und einige Polychaeten. l Chlorocruorin ist ein Verwandter des Håmoglobins; es wird in einigen Familien der Polychaeten gefunden.

8.3.2 Warum Håm Sauerstoff bindet, und wie man sich effektiv vergiften kann Håm ist ein Tetrapyrrolring (Abb. 8.6), auch Porphyrinring genannt. Sein konjugiertes Doppelbindungssystem ermæglicht es ihm, Licht im Wellenlångenbereich von Grçn zu absorbieren; darum zeigt sich Håm in der Komplementårfarbe Rot. Håm bildet einen Metallkomplex. In das Zentrum des Ringes ist ein zweiwertiges Eisenatom Fe2+

Abb. 8.6. Håmring (Porphyrin- oder Tetrapyrrolring) ohne Seitenketten

eingelassen. Die Wertigkeit dieses Fe bleibt ± anders als bei den Cytochromen ± stets bei 2+. Zentralatome in Komplexen haben gern eine Edelgaskonfiguration in ihrer Elektronenhçlle. Eine solche ist beispielsweise erreicht, wenn das Zentralatom 36 Elektronen um sich scharen kann, wie das Edelgas Krypton. Fe2+ selbst hat 24 Elektronen. Es wçnscht sich 12 zusåtzliche Elektronen, verteilt auf 6 Koordinationsstellen. Die 4 Stickstoffatome (N) der 4 Pyrrolringe liefern 4 ´ 2 Bindungselektronen und såttigen damit 4 Koordinationsstellen ab. Das Håm hångt an der Globinkette çber ein fçnftes N, das der Aminosåure Histidin ¹F8ª in der Globinkette gehært. Diese Bindung liefert nochmals 2 Elektronen und belegt die 5. Koordinationsstelle. Es fehlen noch 2 Elektronen, welche die sechste Koordinationsposition auffçllen kænnten. Die stellt nun das O2-Molekçl, das ¹einsame Elektronenpaareª aufweist, zur Verfçgung.

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

Sehr fest ist die Bindung des O2 çber ein einsames Elektronenpaar nicht. O2 kann sich leicht ablæsen. H2O tritt dann an seine Stelle, schlieûlich hat auch hier das O ein einsames Elektronenpaar anzubieten, das freilich eine noch losere Bindung vermittelt. Statt den trennungswilligen Partner H2O oder O2 kann freilich auch ein Partner kommen, dessen einsames Elektronenpaar eine starke Bindung eingeht. Ein solcher Partner kænnte z. B. Kohlenmonoxid CO oder Cyanid CN± (Blausåure-Anion) sein. CO beispielsweise hat eine 200fach hæhere Affinitåt zum Håm als O2. Dann ist der Platz irreversibel belegt, Sauerstoff kommt nicht mehr heran (kann auch bei den Cytochromen passieren). Man geråt in Atemnot, ist vergiftet. Der Kohlenmonoxidgehalt in der Stadtluft und entlang verkehrsreicher Straûen gençgt, die Leistungsfåhigkeit unseres Gehirns herabzusetzen und uns benommen zu machen! 8.3.3 Die Sauerstoffbindungs- und Dissoziationskurven: viel gelehrt und viel abgefragt Eine Læsung aus Håmoglobin oder Myoglobin wird mit Gasgemischen durchspçlt. Der Sauerstoffgehalt der Gemische ist steigend und damit entsprechend der O2-Partialdruck. Bei jedem neu eingestellten pO2 wird gemessen, wieviel Prozent der Molekçle mit Sauerstoff beladen sind (prozentuale Såttigung). Die so ermittelte Bindungskurve wird analog einer Kurve betrachtet, die man erhålt, wenn einem Enzym steigende Mengen an Substrat angeboten und die Enzymaktivitåt gemessen wird. Hat man eine Håmoglobin-Læsung, erhålt man eine sigmoidale (S-færmige) Bindungskurve (Abb. 8.7). Bei sehr niedrigen Partialdrucken hat Håmoglobin eine geringe Affinitåt zum Sauerstoff. Die prozentuale Såttigung ist gering, auch wenn die schiere Zahl vorhandener Sauerstoffmolekçle eine hohe Såttigung erlauben wçrde. Mit steigendem Angebot steigt die Affinitåt und die Kurve wird steiler. In diesem Bereich folgt die Affinitåt selbstregulatorisch der zur Verfç-

Abb. 8.7. Sauerstoff-Bindungs- und -Dissoziationskurve

gung stehenden Sauerstoffmenge. Es folgt ein kurzer nahezu gerader Kurventeil bis die Kurve schlieûlich auf das nicht çberschreitbare Såttigungsniveau von 100% O2-Beladung einbiegt. Bei einer Myoglobin-Læsung hingegen registriert man eine hyperbole Kurve mit einem çber weite Partialdruck-Bereiche linearen Verlauf, der selbstverståndlich gegen 100% Sauerstoffbeladung ebenfalls auf ein horizontales Såttigungsniveau abbiegt. Beim Myoglobin entspricht der Kurvenverlauf einer Michaelis-Menten-Kinetik, die in der Regel registriert wird, wenn man einfachen Enzymen steigende Konzentrationen an Substrat anbietet. Die mit Håmoglobin oder Myoglobin erstellten Bindungskurven heiûen auch Dissoziationskurven; denn wenn man den O2-Partialdruck wieder herunterfåhrt, geben die Håmringe den Sauerstoff wieder frei; er dissoziiert ab. Die aufsteigenden Bindungs- und die absteigenden Dissoziationskurven sind (bei konstantem pH) deckungsgleich. Die Kurven lassen sich auf der molekularen und der physiologischen Ebene interpretieren.

8.3 Håmoglobin, Myoglobin und andere Sauerstoffspeicher

8.3.4 Auf molekularem Niveau zeigt eine sigmoidale Kurve Allosterie und Kooperativitåt an Sigmoidale Aktivitåtskurven findet man oft bei Enzymen, die eine Quartårstruktur aufweisen. Dies besagt, dass sie aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzt sind. Håmoglobin hat vier Untereinheiten. Das Håmoglobin des erwachsenen Menschen besteht aus zwei a- und zwei b-Untereinheiten. Diese kænnen miteinander kooperieren. Die Kooperation basiert auf Allosterie: die gewundenen Proteinmolekçle kænnen zwischen zwei stabilen råumlichen Zustånden hin und her klappen; dabei wird in den b-Untereinheiten die O2-Bindungsstelle zugedeckt oder frei zugånglich (Abb. 8.8). Die Kooperativitåt besteht darin, dass eine sauerstoffbeladene a-Untereinheit die råumliche Konfiguration einer benachbarten b-Untereinheit so beeinflusst, dass deren zuvor abgeschirmter Håmring ebenfalls O2 als Liganden einfangen und binden kann (Sequenz-Modell). Das vierte Håm wird schlieûlich 300fach stårker gebunden als das erste. Gibt umgekehrt eine a-Untereinheit O2 ab, beeinflusst sie einen b-Nachbarn so, dass er

ebenfalls sein O2 abgibt und seinen Håmring in den unzugånglichen Zustand zurçckklappt. In einem Kollektiv vieler Håmoglobin-Tetramere geschieht das Hin- und Herklappen nicht voll synchron. Daher misst man statt einer Bindungs-Dissoziations-Treppe eine verschmierte sigmoidale Kurve (Abb. 8.9 u. 8.10). 8.3.5 Die Kooperativitåt begçnstigt die Sauerstoffaufnahme in der Lunge und die Abgabe an den Verbrauchsorten In der Lunge schwankt das O2-Angebot je nachdem, ob wir gerade einatmen oder ausatmen. Trotz dieser Schwankungen wird stets volle Såttigung des Håmoglobins mit Sauerstoff erreicht; denn die Schwankungen des pO2 in der Lunge bewegen sich entlang des 100%-Såttigungsniveaus (s. Abb. 8.7). Wenn nun das Blut ins ¹Gewebeª gelangt, beispielsweise die Leber, die Nieren oder das Gehirn durchflieût, nimmt im Blutplasma der pO2 stark ab, weil die O2-Molekçle das Blutplasma Richtung Verbraucher verlassen. Der in die Verbraucher eindiffundierende Sauerstoff wird in den Mitochondrien mit Elektronen bela-

Abb. 8.8. Kooperativitåt bei der Sauerstoffbindung im Håmoglobinmolekçl. Beladung des Håmrings einer Untereinheit mit Sauerstoff fçhrt zur besseren Zugånglichkeit des Håmrings in einer benachbarten Untereinheit. Die Hilfestellung setzt sich fort, bis alle Håmringe mit O2 abgesåttigt sind

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

Abb. 8.9. Sauerstoffbindungskurven von Myoglobin, fætalem und adultem Håmoglobin im Vergleich

Abb. 8.10. Bohr-Effekt und DPG-Effekt. Såuren, und ebenso in den Erythrocyten selbst produziertes Diphosphoglycerat, senken die Affinitåt des Håmoglobins zu Sauerstoff

den und mit Protonen zu Wassermolekçlen verarbeitet. Chemisch in H2O-Molekçlen gebundener Sauerstoff trågt nichts mehr zum pO2 bei. Das Håmoglobin geråt also in eine Umgebung mit sinkendem pO2; es muss seinen Sauerstoff dort hergeben, wo er benætigt wird.

Die Affinitåt wird quantiativ erfasst aus der Gleichgewichtskonstanten K fçr die Reaktion

8.3.6 Die Sauerstoffaffinitåt des Håmoglobin ist beim ungeborenen Kind und manchem Tier hæher als bei uns Erwachsenen, darf aber nicht zu hoch sein Von den tetrameren Håmoglobinen, die den Wirbeltieren zum Speichern von Sauerstoff zur Verfçgung stehen, gibt es mehrere Isoformen. Das Genom der Wirbeltiere enthålt mehrere Gene, die durch Duplikation aus einem Ur-Gen hervorgegangen sind und in wechselnder Kombination fçr die Codierung der vier Ketten des Globins herangezogen werden kænnen. Die verschiedenen Isoformen, die man bei verschiedenen Tierarten, aber auch bei ein und demselbem Individuum antrifft, unterscheiden sich in der Kettenlånge und in Details der Aminosåuresequenz. Obzwar die Unterschiede gering sind, reichen sie aus, die Affinitåt des Håms zum Sauerstoff zu modifizieren.

Hb ‡ O2 $ HbO2 Daraus: Kˆ

‰HbO2 Š ‰HbŠ‰O2 Š

Beim Vergleich verschiedener Isoformen von Hb, und dem Vergleich von Hb mit anderen O2 bindenden Proteinen wie Myoglobin und Cytochrom, spiegeln hæhere K-Werte hæhere Affinitåten wider. Das ungeborene Kind muss bei einem geringeren O2-Angebot leben als seine Mutter. Es besitzt eine spezielle fetale (fætale) Variante von Håmoglobin, HbF, bei dem statt b-Globinketten c-Globinketten Partner der a-Ketten sind (Fetus: a2c2; Erwachsener: a2b 2). Die hæhere Affinitåt seines Hb zu O2 (s. Abb. 8.9) ermæglicht es dem Fetus, dem mçtterlichen Blut Sauerstoff zu entziehen. Dass noch hæhere Affinitåten mæglich sind, zeigt der Vergleich der Bindungskurven von Myoglobin und Håmoglobin (s. Abb. 8.9). Myoglobin speichert Sauerstoff in der Muskelzelle. Der pO2,

8.4 Funktion der Erythrocyten bei der Beseitigung des Kohlendioxids

bei dem 50% der Håmringe mit O2 beladen sind, ist bei Myoglobin geringer als bei jedem Håmoglobin. Bei gleichem pO2 entreiût Myoglobin dem Håmoglobin den Sauerstoff. Dies ist physiologisch sinnvoll: So flieût der Sauerstoff vom Speicher des Blutes in den Speicher des Muskels, aber nie zurçck. Der Vergleich der Bindungskurven von Myoglobin und Håmoglobin gibt auch die Antwort auf eine Frage, die sich mancher Leser schon gestellt haben wird: Warum hat die Evolution nicht alle Organismen mit Håmoglobin hoher Affinitåt ausgestattet, wenn es doch grundsåtzlich mæglich wåre? Die Antwort ist die: Hohe Affinitåt hat auch einen groûen Nachteil. Fetales Håmoglobin und Myoglobin geben O2 ungern wieder her. Es muss aber stets sichergestellt sein, dass die Affinitåt der Empfångermolekçle zum Sauerstoff bis hin zu den Endverbrauchern, den Cytochromen in den Mitochondrien, kontinuierlich zunimmt, so dass der Sauerstoff ohne Energieaufwand den Endverbraucher erreicht. Bei Tieren, die in sauerstoffarmer Umwelt leben, kann die Affinitåt ihres artspezifischen Håmoglobins zum Sauerstoff durchaus hæher sein als beim Menschen. Wegen der damit verbundenen Nachteile muss jeder Organismus den fçr ihn optimalen Kompromiss finden. Vægel kænnen es sich erlauben, Hb mit geringerer Affinitåt zum O2-Transport zu verwenden als der Mensch. 8.3.7 Die Affinitåt des Håmoglobins zu Sauerstoff kann in gewissen Grenzen physiologisch gesteuert werden: der Bohr-Effekt Die Affinitåt von Hb zu O2 ist keine invariante Græûe. Der Organismus kennt zwei Mæglichkeiten, im Bedarfsfall verstårkt O2 aus dem Håmoglobin der Erythrocyten freizusetzen. l

Einerseits wirkt das O2-bedçrftige Gewebe auf den Erythrocyten ein. Es såuert das Blutplasma an; das Håmoglobin wird zur Freigabe von O2 angeregt (s. Abb. 8.10). Die betreffenden Såuren sind vor allem Milchsåure (Lactat), die in

der Glykolyse entsteht, und Kohlensåure, die aus CO2 und H2O hervorgeht. Man nennt die Schwåchung der O2-Affinitåt durch den sinkenden pH Bohr-Effekt. l

Der Erythrocyt produziert in sauerstoffarmer Umgebung eine O2-freisetzende Substanz. Eine solche ist 2,3-Diphosphoglycerat DPG (auch Biphosphoglycerat BPG genannt). DPG bzw. BPG entsteht in den Erythrocyten selbst als Produkt einer modifizierten Glykolyse. Wird ein Erythrocyt durch die Lunge getragen, wird bei hohem pO2 kein DPG gebildet; die Affinitåt des Hb zu O2 ist hoch. Verspçrt hingegen der ins Gewebe verfrachtete Erythrocyt den Sauerstoffmangel seiner Umgebung, produziert er selber DPG und regt damit sein Håmoglobin an, williger O2 abzugeben (s. Abb. 8.10).

8.4 Funktion der Erythrocyten bei der Beseitigung des Kohlendioxids 8.4.1 Nacktes CO2 kann gefåhrlich sein; Globin kann einen kleinen Teil des CO2 an sich binden und unschådlich machen Kohlendioxid, CO2, læst sich in recht groûen Mengen ¹physikalischª im Blut. Aber die Læslichkeit ist stark vom Blutdruck und der Temperatur abhångig. Wir kennen das von der Sprudel- oder Sektflasche. Druckentlastung und Erwårmung treibt CO2-Gas aus; es perlt und schåumt. CO2Blåschen kænnen gefåhrlich sein. Sie kænnen kleinste Blutkapillaren verstopfen und so beispielsweise die Blutversorgung des Gehirns blockieren. Ohnmacht und Schlimmeres sind die Folgen. Der Taucher sieht sich im besonderen Maûe mit diesem Problem konfrontiert (s. Kap. 8.6.6). CO2 kann kovalent, und trotzdem reversibel, an das Ende der Globinketten gebunden werden, wobei H+-Ionen freiwerden, die zum Bohr-Effekt (s. Kap. 8.3.7) beitragen. Das mit CO2-Schwånzen versehene Hb heiût Carbamino-Håmoglobin. Auf diese Weise werden bis zu 20% des CO2 un-

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

Das Anion HCO±3 heiût Hydrogencarbonat oder, weniger glçcklich, ¹Bicarbonatª. Diese Reaktion ist exergonisch und erfolgt spontan, aber mit geringer Effektivitåt. Die Erythrocyten haben ein Enzym, das die Reaktion beschleunigt. Es ist die Carboanhydrase. Durchstræmt Blut Gewebe, das CO2 freisetzt, dringt CO2 per Diffusion çber das Blutplasma hinweg in die Erythrocyten ein und verlåsst sie wieder als HCO±3. Durchstræmt das Blut alsdann die Lungenkapillaren, muss die Richtung der Reaktion umgedreht und aus HCO±3 wieder gasfærmiges CO2 freigesetzt werden, das çber die Ventilation der Lunge den Kærper verlassen kann (Abb. 8.11). Wer oder was bestimmt aber, in welche Richtung die Reaktion verlåuft? In erster Linie ist dies der ærtliche Partialdruck pCO2. Ist er hoch, entsteht viel Kohlensåure, ist er gering, bildet sich Kohlendioxid zurçck. Aber Sauerstoff hilft mit; Håmoglobin spielt den Vermittler.

Abb. 8.11. Transport des Kohlendioxids in Form von Hydrogencarbonat. Koppelung des Transports von Sauerstoff mit der reversiblen Konversion von Kohlendioxid (CO2) in Hydrogencarbonat (HCO±3) durch die Vermittlung von Håmoglobin und Carboanhydrase. Die jeweilige Richtung der Reaktion wird vom physikalischen Partialdruck (Konzentration) der Atemgase bestimmt

schådlich gebunden und transportiert. Das langt aber nicht. 8.4.2 Der græûte Teil des CO2 wird mit Hilfe eines Erythrocyten-Enzyms in harmloses Hydrogencarbonat çberfçhrt; diese Umwandlung muss reversibel sein Kohlendioxid ist in der Sprache des Alltags auch als ¹Kohlensåureª bekannt. CO2 ist nicht Kohlensåure, kann aber mit Wasser zu Kohlensåure reagieren. CO2 + H2O ! H2CO3 ! H+ + HCO±3

8.4.3 Håmoglobin vermittelt zwischen den chemisch inerten Gasen CO2 und O2 eine funktionelle Kooperation In einem Gasgemisch gibt es zwischen CO2 und O2 keinerlei Reaktion. Die roten Blutkærperchen bringen jedoch eine wechselseitige Hilfestellung zustande. Ein hoher pO2, wie er in der Lunge herrscht, færdert die Freisetzung von CO2 aus Hydrogencarbonat. Ein hoher pCO2, wie er sich im Blut beim Durchstræmen von Leber, Niere, Gehirn oder Herz einstellt, færdert umgekehrt die Freisetzung von O2 aus HbO2. Vermittelt wird die Kooperation der beiden Gase durch die Carboanhydrase und das Håmoglobin der Erythrocyten. Nehmen wir das Beispiel eines Erythrocyten, der ein Herzkranzgefåû durchlåuft. Der Herzmuskel will viel O2 dem Blut entnehmen kænnen, produziert andererseits viel CO2 und erhæht so den pCO2 des Blutplasmas. Das CO2 wird mittels der Carboanhydrase der Erythrocyten in Kohlensåure verwandelt. Es kommt zur Ansåuerung des Blutes. Die hohe Protonenkonzentration vermindert ihrerseits çber den Bohr-Effekt (s. Kap. 8.3.7 und

8.5 Atemorgane und ihre Ventilation

Abb. 8.10) die Affinitåt des Håmoglobins zu O2. Sauerstoff wird verstårkt freigesetzt. Das Proton der Kohlensåure wird (z. T.) vom Håmoglobin gebunden. Geråt andererseits ein Erythrocyt, dessen Hb kein O2 mehr trågt, in die Lunge, so geschieht das Umgekehrte: Håmoglobin nimmt O2 auf, wobei das Proton wieder abgedrångt wird. Maûgeblich fçr die Richtung der Gesamtreaktion sind die ærtlichen Partialdrçcke von Sauerstoff und Kohlendioxid (s. Abb. 8.11).

8.5 Atemorgane und ihre Ventilation 8.5.1 Die Erneuerung der Atemluft in unserer Lunge ist nicht optimal Lungen sind groûdimensionierte Luft-BlutGrenzflåchen, die zum Schutz vor Austrocknung und Beschådigung in inneren Hæhlungen des Kærpers liegen. In der Evolution der Wirbeltiere

sind Lungen auf dem Organisationsniveau der Fische entstanden. In sauerstoffarmen Gewåssern lebende Fische schluckten zur Ergånzung ihrer Kiemenatmung zusåtzlich atmosphårische Luft in Aussackungen der Speiseræhre (= Lungen) hinein, so wie dies Fræsche heute noch tun. Als Orte des Gasaustausches enthålt unsere Lunge ca. 300 Millionen Alveolen, kleine Blåschen von 1/3 mm Durchmesser. Ihre Oberflåche betrågt 50±140 m2, soviel wie die Grundflåche einer Wohnung. Ihrer versenkten Lage wegen mçssen unsere Lungen in einem periodischen Wechsel von Inspiration und Exspiration be- und entlçftet werden (nur die Vogellunge wird von Luft perfundiert; s. Abb. 8.16). Unsere Lungen nehmen bei einem ruhigen Atemzug am Ende einer Exspirationsphase ca. 3000 ml Volumen ein, am Ende der Inspirationsphase ca. 3450 ml. In Ruhe atmet man also ca. 1/2 Liter Luft ein. Beim starken Durchatmen der trainierten Lunge kænnen pro Atemzug bis zu 6 Liter Luft eingesogen werden, und pro Minute bis zu 120 Liter, wenn auch noch die Atemfrequenz an ihr Maximum getrieben wird. Das in einem einzelnen Atemzug maximal mobilisierbare Atemzugvolumen heiût Vitalkapazitåt. Es wird mit einem Respirometer (Abb. 8.12) gemessen. Wird die Atemluft maximal ausgestoûen, bleiben ca. 1200 ml Residualvolumen zurçck. Eine vollståndige Erneuerung der Lungenluft ist mit einem Atemzug nicht mæglich. 8.5.2 Atempumpen arbeiten håufig dadurch, dass sie abwechselnd Unterdruck und Ûberdruck erzeugen

Abb. 8.12. Respirometer zur Bestimmung der Lungenkapazitåten

Ob wir unsere Atemzçge durchziehen, ob ein Fisch abwechselnd Mund und Kiemendeckel æffnet, oder ob ein Maikåfer mit seinem Hinterleib ¹pumptª, das physikalische Pumpprinzip ist dasselbe. Wird der Brustkorb, der Mundraum des Fisches (bei geschlossenem Kiemendeckel) oder das Abdomen des Kåfers erweitert, entsteht ein Unterdruck. Frische Luft bzw. frisches Wasser werden angesaugt. Verengung der Råume erzeugt

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

Abb. 8.14. Modell der Atemmechanik. Eine vor der Geburt tåtige ¹Vakuumpumpeª erzeugt Unterdruck zwischen Brustkorb und Lunge. Der atmosphårische Luftdruck blåht çber die ¹Luftræhreª die Lunge auf. Die Funktion des Zwerchfells wird von einer Gummimembran nachvollzogen

Abb. 8.13. Atemmechanik beim Menschen. Verånderungen im Anstellwinkel der Rippen und abwechselndes Spannen (Abflachen) und Entspannen (Hochwælben) des Zwerchfells fçhren zu periodischen Erweiterungen und Verengungen des Brustraums. Rot: Muskelzçge; die oberen Muskelzçge setzen mit ihrem oberen Ende am Schultergçrtel an (nicht gezeigt). Die Federn verweisen auf die elastischen Eigenschaften der Bauchdecke

Ûberdruck. Mit CO2 angereichertes Medium wird herausgedrçckt. Bei unserer Lunge wird das Volumen des Brustraums çber die Wælbung des Zwerchfells und die Stellung der Rippen veråndert (Abb. 8.13). Die Lunge selbst braucht keine besonderen Muskeln fçr ihre Expansion und Kontraktion. Sie folgt dem Brustraum passiv, weil die Lunge stets durch den Luftdruck an die Brustwand gedrçckt wird ± auch beim Ausatmen ± und darçber hinaus der

Spaltraum zwischen den Epithelien von Lunge und Thoraxraum einen Flçssigkeitsfilm einschlieût. Kråfte der Adhåsion und Kohåsion vermitteln ein Aneinanderhaften der Epithelien von Lunge und Thoraxraum. Zugleich wirkt der Film als Gleitfilm, so wie ein Flçssigkeitsfilm es ermæglicht, zwei Glasplatten gegeneinander zu verschieben, es aber sehr schwer macht, die Platten voneinander zu trennen. Man kann sich die Verhåltnisse klarmachen, wenn man den ersten Atemzug des Neugeborenen modellmåûig nachvollzieht. Ein noch leerer Luftballon wird mit einer Haftcreme eingeschmiert und mit offener Verbindung zur Auûenluft in einen Behålter gehångt. Der Behålter wird evakuiert; der Luftballon blåht sich auf; seine Hçlle wird an die Wand des Behålters gedrçckt und haftet daran (Abb. 8.14). Wird nun beim ersten Atemzug der Thoraxraum erweitert und wieder

8.5 Atemorgane und ihre Ventilation

verengt, folgt die Lunge passiv. Dies wird sich bis ans Lebensende wiederholen. Allerdings kann es schlimme Probleme geben, wenn bei einer Verletzung Luft zwischen Lunge und Thoraxepithel eindringt. Es kommt zum partiellen oder gar vollståndigen Pneumothorax, bei dem die Lunge bis auf ein Minimalvolumen kollabiert.

8.5.3 Manche Tiere haben effizientere Atemorgane als wir Kiemen mçssen, der geringen Sauerstoffkapazitåt des Wassers wegen, so ausgelegt sein, dass viel Wasser in effizienter Weise ausgebeutet werden kann. Kiemen nutzen das Gegenstromprinzip. Die Mundpumpe der Fische låsst Wasser den Kie-

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

a

b

c

Abb. 8.16 a±d. Vogellunge mit angeschlossenen Luftsåcken. a Ûberblick. b, c Luftstræme. Sowohl bei Inspiration wie bei Exspiration werden die Parabronchien in gleicher Richtung durchstræmt. Das eingezeichnete Dreiwegeventil gibt es nicht an der gezeigten Stelle als eine anatomisch identifizierbare Struktur, doch sind verschiedene Bereiche der Atemwege so konstruiert, dass sich insgesamt ein Effekt ergibt, als wåre ein solches Ventil an dieser Stelle vorhanden. d Gegenstromsystem in der Vogellunge. Von den ræhrenfærmigen Parabronchien gehen Luftkapillaren aus, die mit bogenfærmigen Blutkapillaren Kontakt aufnehmen. Luft und Blut stræmen einander entgegen

d

men entlang stræmen, ihre Herzpumpe schickt in Arteriolen dem Wasserstrom einen Blutstrom entgegen. In den Lamellen, die den Kiemenfilamenten aufsitzen, kommen die gegenlåufigen Wasserund Blutstræme in enge Nachbarschaft zueinander (Abb. 8.15). Durch diese gegenlåufigen Stræme wird zwischen Wasser und Blut ein Sauerstoffgradient aufrechterhalten, und çber die gesamte Långe der Kiemengefåûe tritt Sauerstoff ins Blut çber. Vogellungen haben sekundår ebenfalls ein Durchstromsystem mit Nutzung des Gegenstromprinzips entwickelt (Abb. 8.16). Statt in blind endigende Alveolen hinein wird die Luft durch ræhrenfærmige Parabronchien gefçhrt. Ein System von Blasebålgen (Luftsåcke) sorgt dafçr, dass frische Luft die Parabronchien nicht nur beim Einatmen, sondern auch beim Ausatmen durchstræmt. Beim Ausatmen wird, wenn man die anatomischen Verhåltnisse richtig deutet, durch die Parabronchien diejenige Frischluft gefçhrt, die zuvor beim Einatmen an der Lunge vorbei in die Luftsåcke gelenkt worden war. Freilich beruhen solche Schilderungen nicht auf Messungen an flie-

8.6 Atem- und sonstige Probleme beim Tauchen

genden Vægeln, sondern auf fantasievoller Interpretation anatomischer Befunde und auf Untersuchungen an narkotisierten Groûvægeln (Enten). Wer kann schon bei einer Schwalbe im Flug die Luftstræme im Kærperinneren messen? 8.5.4 Die Ventilation der Lunge und ihre Perfusion werden çber Fçhler geregelt, die den pCO2 des Blutes messen Die Rhythmik des Ein- und Ausatmens wird von neuralen Oszillatoren erzeugt, die çber Nervenfasern periodisch elektrische Impulse (Aktionspotentiale) zu den Muskeln des Brustraums schicken. Diese Oszillatoren sitzen im Hirnstamm in der Medulla oblongata. Sie sind zwar in ihrem Handeln autonom, aber nicht unbeeinflussbar. Wir wissen aus eigener Erfahrung, dass die Atemfrequenz den Bedçrfnissen angepasst werden kann. Woher kennt das Atemzentrum die Bedçrfnisse? Wir erwarten, dass direkt der pO2 des Blutes eine Rolle spielt, wobei mæglicherweise die rhythmisch tåtigen Neurone der Medulla direkt auf den pO2 reagieren. Auch wenn dies der Fall sein sollte, so setzt der Organismus des Wirbeltieres an strategisch gçnstigen Positionen noch andere und bessere Fçhler ein. Fçhler in Form von Sinneszellen, die die Qualitåt des Blutes prçfen, sind vor allem an den Verzweigungsstellen der Halsschlagadern (s. Abb. 10.6) lokalisiert; denn es sollte schon die Zufuhr zum Gehirn geprçft werden, damit frçhzeitig reagiert werden kann. ¹Qualitåtª heiût hier pO2, pCO2 und pH+ des Blutplasmas. In der Evolution der Wirbeltiere haben dabei die Rezeptoren fçr den pCO2 die Fçhrung çbernommen. Das hat gute Grçnde: Die Schwankungen des pO2 werden im Blutplasma durch das Fçllen und Entleeren der Håmoglobinspeicher stark abgepuffert. Der pCO2 schwankt stårker; Differenzen sind leichter zu messen. Ein hoher pCO2 zwingt uns reflektorisch zum Atmen; wir kænnen dann ¹die Luft nicht mehr anhaltenª. Hyperventilation durch rasches, tiefes Einund Ausatmen, beispielsweise bevor man ins

Wasser taucht, kann den pCO2 im Blut soweit senken, dass das Atemzentrum umgekehrt sogar Stillstand befiehlt oder doch zulåsst. Man kann ¹die Luft lange anhaltenª. Allzu langes Anhalten des Atmens beim Tauchen kann gefåhrlich werden. Man kann in Ohnmacht fallen, bevor man reflektorisch zum Auftauchen gezwungen wird. Probleme des Atmens beim Tauchen werden wir nachfolgend ausfçhrlicher diskutieren.

8.6 Atem- und sonstige Probleme beim Tauchen 8.6.1 Wer mit Verstand tauchen will, muss sich mit Physik befassen Eine Gasblase in der Sprudelflasche wird beim Aufsteigen græûer und græûer; wird hingegen eine Gasblase (z. B. Luftballon) unter Wasser gedrçckt, wird sie kleiner und kleiner. Dafçr gibt es zwei physikalische Grçnde. Wir diskutieren sie an zwei Fallbeispielen: Die gasundurchlåssige Blase und das BoyleMariotte'sche Gesetz. Boyle-Mariotte: p ´ V = const. Wird ein Ballon unter Wasser gedrçckt, steigt der Gasdruck, weil der Wasserdruck von auûen auf dem elastischen Ballon lastet. Anders als Wasser ist Gas komprimierbar. Steigt der Druck, muss entsprechend das Volumen des Gases kleiner werden, damit das Produkt konstant bleibt. Ein luftgefçllter Luftballon und ebenso die luftgefçllte Lunge werden umso mehr zusammengepresst, je tiefer die Tauchtiefe ist (Abb. 8.17). Pro 10 m Tauchtiefe nimmt der Druck um jeweils 1 bar = 100 kPa zu. Die gasdurchlåssige Blase und das Gesetz von Henry. Wird eine normale Luftblase oder eine Blase mit gasdurchlåssiger Wand unter Wasser gedrçckt, werden die Gase aus der Blase in das umgebende Wasser gedrçckt; denn dieses ist in aller

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

Abb. 8.17. Zur Physik des Tauchens

Regel nicht mit Sauerstoff und Stickstoff gesåttigt. Die Menge an Gas, die Wasser physikalisch læsen kann, ist eine Funktion des Umgebungsdruckes und eines Læslichkeitskoeffizienten a, der fçr einzelne Gase unterschiedlich ist (s. Box K 8.1). Eine Luftblase unter Wasser gezogen, schrumpft gemåû dem Gesetz von Henry viel ra-

scher, als das Gesetz von Boyle und Mariotte verlangt, weil Gas ins Wasser entweicht, und schwindet bald ganz. Wenn sich eine Wasserspinne oder Wasserinsekt an der Wasseroberflåche eine Luftblase an ihren behaarten Leib geklebt hat, darf das Tierchen nicht zu tief tauchen, sonst ist die Luft weg. Nur wenn sich das Wasserinsekt das

8.6 Atem- und sonstige Probleme beim Tauchen

8.6.2 Der Kærper hålt viel Druck aus ± mit Ausnahme der Lunge

Abb. 8.18. Probleme beim Schnorcheln

Tauchglockenprinzip zunutze macht und çber mechanische Verstrebungen (Plastron) und Wånde das Schrumpfen der Blase verhindert, kann es sich långere Zeit am Luftvorrat erfreuen. Vielleicht stræmt sogar aus dem Wasser Sauerstoff in die Blase nach. Kommt es in einer Flçssigkeit zur Entlastung von Druck (beispielsweise wenn der Sektkorken davonfliegt), ist nach dem Prinzip von Henry die Flçssigkeit rasch çbersåttigt und das Gas sondert sich in Form von Blåschen ab. Diese werden, wenn sie nach oben steigen, græûer und græûer, weil sie u.U. weiteres Gas aufnehmen und weil das Gesetz von Boyle und Mariotte das so konstatiert.

Sieht man von der Lunge und anderen luftgefçllten Hohlråumen wie den Stirnhæhlen ab, ist unser Kærper wie ein wassergefçllter Ballon zu betrachten. Zellen und Blut bestehen schlieûlich zu çber 90% aus Wasser, und die Haut ist elastisch genug, den von auûen auf den Kærper lastenden Druck auf Blut, interstitielle Flçssigkeit und Kærperzellen zu çbertragen. Diese sind nicht komprimierbar ± unser Kærper schrumpft nicht merklich ± aber der Druck steigt. In 10 m Wassertiefe ist der Blutdruck nicht 101 kPa wie an der Wasseroberflåche, sondern 201 kPa und in 50 m ist er 601 kPa, also annåhernd sechsmal so hoch wie an der Luft. Dennoch rast das Blut nicht durch den Kærper und die Gefåûe platzen nicht. Fçr den Kreislauf wichtig ist die Druckdifferenz zwischen Herzausgang und Herzeingang und diese Differenz ist nicht græûer geworden. Die Blutgefåûe platzen nicht, weil mit der Tauchtiefe Binnendruck in den Blutgefåûen und Auûendruck auf die Blutgefåûe gleichermaûen zunehmen. Gleichwohl kann die Vorstellung, dass wir in 50 m Tiefe unter einem Druck von 6 bar stehen (Autoreifen 2 bis 3 bar bzw. 200 bis 300 kPa) ein mulmiges Gefçhl erzeugen. Nicht zu Unrecht, wenn wir nun die Lunge betrachten. Die Lunge çbernimmt den Druck ebenso wie der restliche Kærper. Sie ist jedoch mit komprimierbarem Gas gefçllt. Sie schrumpft nach dem Prinzip von Boyle-Mariotte und nach dem Prinzip von Henry, wie oben fçr die Luftblase einer Wasserspinne erlåutert. Das Skelett des Brustkorbs freilich setzt dem Schrumpfen Grenzen. Die Grenze ist erreicht, wenn die Lunge auf das Residualvolumen (ca. 1/5) geschrumpft ist. Die Konsequenzen fçr das Schnorcheln diskutieren wir weiter unten. Taucht man tiefer als 30 bis 40 m, hat die Lunge ihr Residualvolumen (Minimalvolumen) erreicht. Der Luftdruck in der Lunge kann deshalb nicht mehr gemeinsam mit dem Umgebungsdruck weiter steigen. Der Druck in der Lunge wird geringer

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane Tabelle 8.3. Maximale Tauchzeiten und Tauchtiefen. (Nach verschiedenen Quellen) Tauchdauer [min] Mensch Alligator Stockente Biber Walross Kaliforn. Seelæwe Sattelrobbe Groûer Tçmmler Finnwal Blauwal Pottwal Entenwal

3±4 120 15 15 10 10 30 12 20 45 80 120

Tauchtiefe [m] 108 (Weltrekord)

30 140 250 300 500 100 1000 (3000?) 1300

sein als der hydrostatische Druck des Blutes, der seinerseits dem hydrostatischen Druck des umgebenden Wassers entspricht. Wenn der Blut(wasser)druck hæher als der Luftdruck in der Lunge ist, dringt Wasser vom Blut in die Lungenalveolen ein. Man ertrinkt, auch ohne Wasser zu schlucken. Wie man trotz der erdrçckenden Last des Wassers als Mensch ohne Tauchgeråte in Weltrekordtiefen von 108 m abtauchen kann (Tabelle 8.3) und dabei çberlebt, kænnen die Autoren dieses Buches nicht erklåren. 8.6.3 Schon beim Tauchen im Schwimmbad gibt es Probleme, wenn man seine Grenzen nicht kennt Tauchen, auch ohne Geråt (apnoisches Tauchen, d. h. Tauchen ohne zu atmen) kann nicht nur Spaû machen. Der Schwimmbad-Blackout. Atmet man vor oder nach dem Tauchgang zu viel, zu rasch, und zu tief (Hyperventilation), wird das Blut zu sehr von CO2 entlastet. Wie bei der Hæhenkrankheit (s. Kap. 8.7) entfållt ein wichtiger Atemantrieb. Der Atemreflex, der zum Auftauchen zwingt, kann zu spåt einsetzen; mæglicherweise ist man zuvor schon ohnmåchtig geworden.

Der Tauchreflex, ein Ûberlebenstrick der Natur. Die Evolution hat uns einen Schutzreflex mitgegeben, der verhindert, dass wir ± so wir ins Wasser fallen ± nicht gleich unsere Lungen mit Wasser fçllen und ersticken. Taucht man sein Gesicht ins Wasser, wird sogleich reflektorisch die Atemmuskulatur stillgelegt (Apnoe). Gleichzeitig wird çber das vegetative Nervensystem Sauerstoffsparen angesagt: die Herzschlagfrequenz sinkt (Bradykardie). Trotz verlangsamtem Herzschlag steigt jedoch der Blutdruck, weil sich die in die Arme und Beine ziehenden Arterien verengen. Gefahr der Hypothermie. Eine gçnstige Folge der verringerten Durchblutung von Armen und Beinen ist, dass die Auskçhlung vermindert wird. Trotzdem kann der Kærper wegen der hohen Wårmeleitfåhigkeit des Wassers unter einer kritischen Wassertemperatur von 20 8C nicht mehr genug Wårme erzeugen, um den Wårmeverlust zu kompensieren. Bei 4 8C Wassertemperatur stirbt man in einer halben Stunde an Hypothermie. Der isolierende Neoprenanzug schafft Abhilfe. 8.6.4 Der Wasserdruck setzt der Mæglichkeit des Schnorchelns frçhe Grenzen Den Tauchreflex kann man mit geringen Mçhen willentlich ausschalten und auch mit wasserumspçltem Gesicht atmen, sofern man einen Schnorchel hat. Warum kann man nicht einfach mit einem langen Schlauch in die Tiefe gehen? Die Antwort lautet: Zum einen erschwert der verlångerte Totraum die Ventilation. Zum anderen ± und dies vor allem ± lastet auf dem ganzen Kærper der umgebende Wasserdruck. In 10 m Tiefe wåre er 201 kPa. Die Lunge jedoch steht çber den Schnorchel in offener Verbindung zur Normalluft. In ihr ist der Luftdruck 101 kPa. Schon in 1 m Wassertiefe kann man gegen den hohen Umgebungsdruck nicht mehr einatmen und das Gefålle der Partialdrçcke kann sich umkehren. Trotz offenem Schnorchel verliert man O2 und man erstickt.

8.6 Atem- und sonstige Probleme beim Tauchen

8.6.5 Geråtetauchen: Man vertraut sich dem Druckautomaten an Pressluft ist nicht nur ein Luftvorrat zum Atmen. Pressluft hilft auch, das Kollabieren der Lungen zu verhindern. Jetzt kann man auch unter die kritische Grenze von 30 bis 40 m abtauchen. Je tiefer man taucht, desto hæher muss naturgemåû der Kompressionsdruck sein. Ventile besorgen die Balance automatisch. Dabei wird der kçnstliche Luftdruck so eingestellt, dass die Lunge nicht beim Residualvolumen verharrt, sondern auf das Normalvolumen von ca. 5 bis 6 Liter aufgeblåht wird. 8.6.6 Lebensgefahren der Physiologie, Taucherkrankheiten Tiefenrausch und Stickstoffnarkose. Pressluft und hoher hydrostatischer Blutdruck haben zur Folge, dass sich weit mehr Gase, O2, N2 und CO2, im Blut physikalisch læsen als an Land. l

Hohe Sauerstoffkonzentrationen wirken toxisch, ein Effekt, der freilich erst ab Tauchtiefen von 150 m gefåhrlich wird.

l

Bei einer Tauchtiefe von 100 m læst sich zehnmal mehr Stickstoff im Blut und Gewebe als an Land. Stickstoff læst sich besonders gut in fettartigem Gewebe, beispielsweise in den Myelinscheiden der Nervenfasern. Hohe Stickstoffkonzentrationen wirken narkotisierend und berauschend, åhnlich Alkohol und mit åhnlichen Folgen. Ersetzen von Stickstoff durch andere Inertgase wie Wasserstoff oder Helium bringt in diesem Punkt Abhilfe, verhindert jedoch nicht ein anderes Problem:

Dekompressionskrankheit (Caissonkrankheit). Man steigt mit hohen Gaskonzentrationen hoch. Mit fallendem hydrostatischen Druck nimmt die Læslichkeit der Gase ab; sie scheiden sich in Form von kleinen Blåschen aus der Flçssigkeit der einzelnen Kærperzellen und des Blutes ab. Nach

Boyle-Mariotte ± siehe oben ± werden die Blåschen beim weiteren Aufstieg græûer und græûer und kænnen schlieûlich Blutkapillaren verstopfen (Embolie). Die Symptome reichen von Kribbeln und Jucken (¹Taucherflæheª) çber Gelenkschmerzen bis zu Låhmungen, Ohnmacht und Tod. Langsame Dekompression erlaubt das allmåhliche Abatmen der çberschçssigen Gase. Langsame Dekompression nach Erfahrungsregeln und Tabellen ist wichtig fçr Gesundheit und Leben. Wurde gegen diese Regeln versçndigt, hilft nur sofortige Wiederkompression. Durch kçnstlichen Ûberdruck in einer Druckkammer werden die Gasblåschen wieder in die Kærperflçssigkeit zurçck gedrçckt und aufgelæst. Langsame, kontrollierte Dekompression ermæglicht es dem Stickstoff, nach und nach das Læsungswasser des Blutes als freies Gas çber die Lungen zu verlassen. Ein Caisson-Symptom tritt auch auf, wenn ein Flugzeug oder Ballon allzu rasch hochsteigt und der mit der Hæhe sinkende Luftdruck nicht durch Erhæhung des Drucks in der Atemluft kompensiert wird.

Barotraumata an luftgefçllten Hohlråumen. Auch die Lunge selbst ist eine Blase. Steigt man bei geschlossenem Kehlkopf zu rasch hoch, blåht sich die Lunge auf und es kann zu Rissen kommen. Auch andere luftgefçllte Hohlråume sind gefåhrdet: Mittelohr, Kieferhæhlen, Nasennebenhæhlen im Siebbein und Keilbein, Stirnhæhlen und Warzenbein.

8.6.7 Tauchende Meeressåuger kænnen es besser Robben, Delphine und Wale bleiben bis zu 2 Stunden unter Wasser. Delphine erreichen ca. 300 m Tauchtiefe; andere Wale 1000 m; dem Pottwal werden 3000 m Tauchtiefe zugetraut. Telemetrie (radio-tag telemetry) ersetzt heute mehr und mehr solche Schåtzungen durch Messungen, und verifizierte beispielsweise, dass der Seeelefant bei Tauchtiefen bis 900 m bis zu 2 Stunden unter Wasser bleiben kann.

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane

Wie kommen tauchende Lungenatmer zu ihrem Sauerstoff? Wie vermeiden sie Taucherkrankheit? Erst zu Letzterem: l

Sie tauchen mit ausgeatmeten Lungen; darçber hinaus ist der Brustkorb weniger starr als bei uns; das Residualvolumen ist nahezu Null; bei Walen kollabieren die Lungen auf ein Restvolumen, das in einem Raum mit knorpeligen Wånden eingeschlossen ist. Es gibt kaum Gase, die ins Blut gedrçckt werden kænnten. Der Partialdruck der im Blut schon gelæsten Gase wird vom Auûendruck nur gering veråndert, weil Blut, wie alle Flçssigkeiten, kaum komprimierbar ist und das Blutvolumen deswegen gleich bleibt. Das Kollabieren der Lungen vermindert zudem den Auftrieb.

l

Bei manchen tieftauchenden Meeressåugern wie Delphinen werden zudem Luftblåschen, falls sie doch entstehen sollten, in einem besonderen Kapillarnetz abgefangen, bevor sie ins Gehirn gelangen kænnten.

l

Der Tauchreflex ist weiter getrieben: Bei verlangsamtem Herzschlag wird das Blut hauptsåchlich dem Herzen und Hirn zur Verfçgung gestellt. Sie dçrfen sich den Sauerstoff holen und das CO2 loswerden. Die sonstigen Organe mçssen zurçckstehen.

Wie aber entgehen diese Tiere dem Tod durch Ersticken? Wie bekommen die Muskeln ihren Sauerstoff? Man nimmt Vorråte an chemisch gebundenem Sauerstoff mit in die Tiefe: l

Das Volumen des Blutes ist bezogen auf 1 kg Kærpergewicht 2±3-mal græûer als beim Menschen.

l

Der Håmoglobingehalt (Håmatokrit) ist 30% hæher.

l

Tauchende Såuger nehmen einen groûen Vorrat an gebundenem Sauerstoff mit, gebunden nicht nur an dicht verpacktem Håmoglobin in ihren vielen Erythrocyten, sondern auch gebunden an das reichliche Myoglobin ihrer Muskeln. Das Fleisch von Walen ist, weil dicht mit Myoglobin beladen, nahezu schwarz. Das

Blut mit seinem HbO2 wird vorzugsweise zum Gehirn geleitet. Die Muskeln kænnen mit reduzierter Blutversorgung leben, weil sie einen eigenen internen Sauerstoffvorrat in Form von viel Myoglobin-O2 haben und darçber hinaus einen Energievorrat in Form von viel Phosphagenen (z. B. Kreatinin-Phosphat). Damit kænnen sie ihre ATP-Akkus rasch nachladen. Robben speichern pro kg Kærpermasse 30±40 ml O2, der Mensch 10 bis 15 ml. Reicht der Vorrat nicht aus, so wird das Gewebe mehr als das der Landbewohner auf anaerobe Energiegewinnung umgestellt. Nach dem Tauchgang erlaubt ein enormes Atemvolumen eine rasche Erholung. Schnorchelnde Tiere gibt es auch, wenn man es gestattet, mit Tracheen ausgerçstete Insekten (Gelbrandkåfer) und Insektenlarven (Gelbrandkåferlarve, Mçckenlarven) als schnorchelnde Tiere zu bezeichnen. Ihr Schnorchel (Atemhorn, Atemrohr) ist sehr kurz. Auch die Schnauze des Alligators, die Nçstern des Nilpferdes und der Rçssel des Elefanten kænnen als Schnorchel dienen.

8.7 Atemnæte und Hæhenkrankheit im Gebirge 8.7.1 Die Adaptationsfåhigkeit des Menschen kennt Grenzen Bei allem Staunen çber die Reinhold Messners und allem Respekt vor den Bewohnern der Hochgebirge, çber 5000 m gibt es keine Dauersiedlungen mehr. Immerhin, die meisten Menschen dçrften es wohl schaffen, sich auf ein Leben auf 3000 m Hæhe einzustellen. Der Mensch ist schlieûlich eines der anpassungsfåhigsten Lebewesen. Hilft es ihm da, dass er Gene fçr verschiedene Håmoglobinvarianten hat? Wie wir hærten (s. Kap. 8.3.6) hat der Fetus ein Hb, dessen Affinitåt zu Sauerstoff græûer ist als das des mçtterlichen Blutes. Erst nach der Geburt schaltet er auf das adulte a2b 2 um.

8.7 Atemnæte und Hæhenkrankheit im Gebirge

Gelingt eine solche Anpassung auch ¹rçckwårtsª bei der Akklimatisation an groûe Hæhen? Kænnen wir im Gebirge wieder fetales Håmoglobin produzieren? Leider nein, wir kænnen in der Entwicklung nicht zurçck. 8.7.2 Nicht nur die Sauerstoffarmut, auch der geringe Luftdruck kann lebensgefåhrlich werden Groûe Hæhen bedeuten erniedrigten Luftdruck. Erniedrigter Luftdruck bedeutet auch erniedrigter Sauerstoff-Partialdruck. Leben in groûen Hæhen ist folglich Leben in Sauerstoffarmut, doch kommt reduzierter allgemeiner Luftdruck hinzu: Der Blutdruck hat einen schwåcheren Gegenspieler. In der Lunge beispielsweise stehen die Blutkapillaren unter Blutdruck, dem die dçnnen Wånde der Kapillaren normalerweise leicht Paroli bieten kænnen, weil von der anderen Seite Luftdruck entgegenwirkt. Diese Hilfe wird in der Hæhe geringer. Auch wird die Luft sehr trocken. Flachlånder im Gebirge atmen schneller und tiefer; ihr Herz pocht. Auf 6000 m Hæhe wird ca. 40-mal mehr ± allerdings verdçnnte ± Luft (200 l/min) eingesaugt als im Flachland (5 l/min). Der Puls steigt von 95 Schlåge/min auf 150/min. Flachlånder akklimatisieren im Verlauf von Tagen und Wochen durch l

Erhæhung der Erythrocytenzahl. Bei Sauerstoffmangel signalisiert der in der Niere gebildete hormonale Faktor Erythropoietin dem Knochenmark, vermehrt rote Blutkærperchen herzustellen.

l

Erhæhung der Håmoglobinmenge in den Erythrocyten. Sie kann freilich nur geringfçgig gesteigert werden.

l

Erweiterung der Blutkapillaren zur Verbesserung der Blutversorgung. Das hat allerdings auch eine Senkung des Blutdrucks zur Folge (s. Kap. 9), was jedoch wegen des geringeren Luftdrucks kein Schaden sein muss.

Beim Aufstieg sollte man sich nicht mehr als 600 Hæhenmeter/Tag zumuten; zum Schlafen gegebe-

nenfalls absteigen. Missachtet man diese Regel, verfållt man leicht einer Hæhenkrankheit. Akute Hæhenkrankheit bei zu raschem Aufstieg eines Bergwanderers meldet sich warnend durch unangenehme, doch nicht lebensgefåhrliche Symptome: l

rasche Ermçdung,

l

rascher flacher Atem, Herzklopfen (beschleunigter Puls),

l

angeschwollene, ins Gehirn ziehende Arterien verursachen Kopfschmerzen, Schwindel, Ûbelkeit, Erbrechen.

Ûber 2700 m kann Hæhenkrankheit in lebensgefåhrlicher Form auftreten. Symptome sind: l

Cheyne-Stokes-Atmung. Phasen schneller, tiefer Atmung (Hyperventilation) wechseln mit Phasen schwacher Atmung (Hypoventilation). Es kann zu sekundenlangem Atemstillstand kommen. Das physiologische Regelwerk kommt ins Stottern. Einerseits verlangt Sauerstoffarmut verstårkte Atmung. Verstårkte Ventilation fçhrt andererseits zur ungewæhnlich schnellen Abgabe von CO2. Normalerweise ist ein hoher Kohlendioxidgehalt der wirksamere Auslæser der Ventilation als O2-Mangel. Bei zu geringem CO2-Gehalt ist bisweilen der stimulierende Antrieb zu schwach. Erst wenn sich wieder CO2 im Blut angesammelt hat, setzt die Atmung wieder ein.

l

Lungen-Údeme (Údem = Wasseransammlung). Wegen der çbergroûen hydrostatischen Druckdifferenz zwischen Blut und Hæhenluft dringt Wasser aus den Blutkapillaren in die Lungenalveolen. Man hustet, blutiger Schaum kommt hoch; schlieûlich kann man wie beim Tauchen in der eigenen Kærperflçssigkeit ¹ertrinkenª.

l

Gehirn-Údeme, Schlaganfall. Ûber 3000 m kann Blutwasser und Blut aus platzenden Gefåûen ins Gehirn dringen, kænnen sich Blutgerinnsel bilden. Symptome:

l

torkelnder Gang,

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8 Physiologie der Erythrocyten und Atemorgane l

Sehstærungen,

l

græûere Lungen,

l

Rauschzustånde, Verwirrung, Halluzinationen, Wahn, Koma (Bewusstlosigkeit).

l

græûere Mitochondrien in ihren Zellen.

Chronische Hæhenkrankheit bei Langzeitaufenthalt çber 4000 m. Mçdigkeit, Herzklopfen, Brustschmerzen, geschwollene Gelenke. Vermehrte Zahl der Erythrocyten macht Blut zåhflçssig, erhæhte Gefahr von Embolien (Schlaganfall, Herzinfarkt). Eingeborene Hæhenbewohner haben, mæglicherweise genetisch bedingt,

Zusammenfassung des Kapitels 8 In allen Zellen, die ATP aus der vollståndigen Oxidation von energiereichen Substanzen gewinnen, fållt im Citratcyclus CO2 als Abfall an, wird in der Atmungskette O2 als finaler Elektronenakzeptor gebraucht. Der Transport von O2 von der Luft zu den Kærperzellen, der Abtransport von CO2 von den Kærperzellen zur Luft, geschieht primår nach den Gesetzen der Diffusion und wird von den Unterschieden in den Partialdrçcken zwischen Luft und Gewebe bestimmt. Da Diffusionsflçsse sich mit dem Quadrat der Entfernung zur Quelle verlangsamen und nach wenigen mm fast ganz zum Stillstand kommen, mçssen Ventilation der Lunge und Konvektion im Kreislauf den Transport der Atemgase unterstçtzen (Physikalische Grundgesetze zum Thema Atmung erlåutert Box K8). Ein Problem ergibt sich beim Ûberwechseln der Gase von der Luft ins Blut aus der begrenzten Læslichkeit der Gase in Wasser. Bei gleichem Partialdruck von 21 kPa (partieller Anteil = 21%) enthålt 1 Liter Luft 210 ml O2, 1 Liter Wasser hingegen bei 378C und voller Såttigung nur 4 ml O2. Håmoglobin in den Erythrocyten erhæht die Kapazitåt des Blutes fçr O2 auf ca. 200 ml/l.

Doch auch fçr Eingeborene ist ein Daueraufenthalt > 5000 m nicht mæglich. Unsere Diskussionen çber Probleme beim Tauchen und in der Hæhe haben bereits deutlich werden lassen, dass die Physiologie der Atmung eng mit der des Kreislaufs gekoppelt ist. Ihm wenden wir uns im folgenden Kapitel zu.

In den Erythrocyten wird O2 reversibel an Fe2+ im Zentrum des Håms, einem Tetrapyrrol-Ring = Porphyrin-Ring, gebunden. Das Håm ist seinerseits an das Protein Globin gebunden. Das tetramere Håmoglobin (a2b2) der Erythrocyten bindet 4 Molekçle O2; das monomere Myoglobin der Muskeln 1 Molekçl O2. Der prozentuale Anteil des mit O2 beladenen Håms ist abhångig vom O2-Angebot (pO2) und wird durch die Bindungskurve = Dissoziationskurve beschrieben. Sie verlåuft beim monomeren Myoglobin hyperbol, beim tetrameren Håmoglobin (Hb) dank allosterischer Kooperativitåt sigmoidal, was physiologische Vorteile hat. Die O2-Abgabe bei fallendem pO2 in der Umgebung von Verbrauchern wird unterstçtzt durch einen sinkenden pH im Blut (Bohr-Effekt), bedingt durch die Metabolite Milchsåure und Kohlensåure, und durch Diphosphoglycerat, das Erythrocyten bei tiefem pO2 selbst erzeugen und die Affinitåt des Hb zu O2 herabsetzt. Die Bindungskonstanten zeigen, dass hiervon unbeschadet die Affinitåt zu O2 vom Håmoglobin çber das Myoglobin bis zum Cytochrom C in den Mitochondrien zunimmt, was den O2-Fluss unterstçtzt. Fetales Håmoglobin a2c2 çbt eine hæhere Affinitåt aus als das mçtterliche adulte a2b2. Erythrocyten und Håmoglobin helfen dem Blut CO2, das leicht ausperlen kænnte, gefahrlos

8.7 Atemnæte und Hæhenkrankheit im Gebirge

zu transportieren, indem es in eine chemisch gebundene Form çberfçhrt wird. 20% des CO2 werden kovalent an Håmoglobin gebunden (Carbamino-Hb), nahezu 80% werden mittels des Erythrocyten-Enzyms Carboanhydrase in Hydrogencarbonat HCO±3 çberfçhrt (CO2 + H2O $ HCO±3 + H+) und so im Blutplasma zur Lunge transportiert. Dort wird CO2 durch den Gegenprozess wieder frei gesetzt. Die Richtung des Prozesses wird vom ærtlichen pCO2 und pO2 bestimmt. Generell ist bei Lungen- wie bei Kiemenatmern der pCO2 fçr die Atemregulation maûgebend. Der im Bereich der Halsschlagadern herrschende pCO2 wird von Chemosensoren gemessen und erzwingt beim Ûberschreiten eines Grenzwertes Atemzçge. Deren Grundfrequenz wird von einem neuralen Oszillator in der Medulla oblongata erzeugt.

Weitere Abschnitte des Kapitels befassen sich mit der Mechanik des Atmens bei Såuger, Fisch und Vogel, mit der Physiologie des Tauchens bei Mensch und Meeressåugern, und mit Problemen in groûen Hæhen. Hauptprobleme beim Tieftauchen sind Kompression der Lunge bis zu einem Residualvolumen von 0,5 Liter, und Læsung groûer Mengen an N2, das narkotisierend wirkt, beim raschen Auftauchen in Form von Blåschen ausgast und Kapillaren verstopft. Meeressåuger tauchen mit ausgeatmeter Lunge und einem groûen Vorrat an Sauerstoff, gebunden an viel Håmoglobin und Myoglobin. In Hæhen çber 3000 m bereiten der geringe Luftdruck verbunden mit geringem pO2 Atemnot; beides zusammen kann Hæhenkrankheit mit Verwirrung und tædlichen Lungenædemen verursachen.

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Der Kreislauf

9.1 Verteilerflçssigkeiten vermitteln zwischen Auûenwelt und Innenwelt und dienen als Spediteure im Kærper Das in unserem Kærper kreisende Blut vermittelt, wenn es beispielsweise Sauerstoff verteilt und Kohlendioxid einsammelt, zwischen Auûenwelt und Innenwelt. Im vielzelligen Organismus, dessen einzelne Zellen zu Milliarden eng zusammengepfercht sind und der sich mit einer undurchlåssigen Haut schçtzen muss, haben die meisten Zellen keinen direkten Zugang mehr zur Auûenwelt. Wenn nun schon Nåhrstoffe, Wasser, Sauerstoff und sonstiges aus der Auûenwelt stammendes Material im Medium des Blutes verteilt werden, warum nicht auch im Kærper selbst produzierte Substanzen: Metabolite und Signalsubstanzen, die wir Hormone nennen? Und warum sollten Zellen, die gern auf Reisen gehen wie die Zellen des Immunsystems, nicht gleichfalls dieses Transportsystem bençtzen? Bei Vielzellern, die der Systematiker an den Anfang des zoologischen Systems stellt, ist das Verteilersystem noch wenig differenziert und enthålt schlichtweg Auûenwasser. Wir sprechen von Gastrovaskularsystemen, weil solche Verteilersysteme Funktionen eines Darmtraktes (griech.: gaster = Magen) mit Funktionen eines Gefåûsystems (lateinisch: vas = Gefåû; vascularis = zum Gefåû gehærig) verbindet. Coelenteraten wie Korallen (Anthozoa) und Quallen (die sich sexuell fortpflanzende Generation der Scyphozoa) benutzen seewassergefçllte Kanåle, um eine Suspension vorverdauter Nahrung in ihrem Kærper zu verteilen. Øhnlich machen das Planarien. Auch Echino-

dermen (Seesterne, Seeigel) haben ein seewassergefçlltes inneres Wasserkanalsystem, in dem freilich nicht mehr partikulåre Nahrung aufgeschwemmt ist. Bei ihnen ist der Verdauungstrakt vom Wasserkanalsystem getrennt. Auûer diesem Kanalsystem çbernimmt auch die Coelomflçssigkeit Verteilerfunktion. Bei Anneliden finden wir ein geschlossenes Kreislaufsystem, das keine direkte Úffnung mehr zur Auûenwelt hat, und dessen ionale Zusammensetzung zwar noch seewasseråhnlich ist, aber doch vom Organismus passend modifiziert und laufend kontrolliert wird. Dieses selbst zurechtgemixte Verteilermedium heiût Blut. Es kænnten nach Meinung mancher Evolutionsforscher sehr wohl annelidenåhnliche Tierformen (die hypothetischen ¹Urbilateriaª) gewesen sein, von denen Amphioxus und die Vertebraten das Kreislaufsystem ererbt haben. Vertreter der Ecdysozoa, namentlich die Arthropoden, haben zwar keine geschlossenen Blutgefåûe, doch auch ihre Verteilerflçssigkeit ist von der Auûenwelt isoliert. Der Zoologe spricht hier von Håmolymphe. Von Blut spricht der Anatom, wenn die Verteilerflçssigkeit von einer Pumpe gefærdert wird und in einem geschlossenen Ræhrensystem zirkuliert. Lymphe nennt er die Flçssigkeit, die sich in den Spaltråumen zwischen den Zellen und in anderen Hæhlungen befindet, meistens ohne durch besondere Pumpen gefærdert zu werden. Von Håmolymphe spricht der Zoologe, wenn die von einer Pumpe gefærderte Verteilerflçssigkeit nicht in geschlossenen Ræhren stræmt und mit der Zwischenzellflçssigkeit identisch ist. Wir betrachten hinfort nur den Blutkreislauf der Wirbeltiere.

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9 Der Kreislauf

BOX K 9

Ein wenig Stræmungsphysik

Volumenstromstårke (Fluss)

Der Physiologe beachtet drei grundlegende Gleichungen der Hydrodynamik: (1) ein Gesetz, das dem Ohmschen Gesetz der Elektrizitåtslehre entspricht und die Ursache des Stromflusses nennt, (2) das Gesetz von Hagen-Poiseuille, das den Einfluss des Rohrquerschnitts auf den Fluss beschreibt, und (3) das Gesetz von Bernoulli, das unter anderem etwas darçber aussagt, wie die Wandstårke der Blutgefåûe sein sollte, und was wir mit dem ¹Blutdruckª messen. (Die ersten beiden Gesetze beziehen sich auf reale Flçssigkeiten mit Viskositåt; beim Gesetz von Bernoulli darf die Flçssigkeit als ideal betrachtet werden.)

I ˆ dV=dt ˆ

1. Das Ohmsche Gesetz: Eine Flçssigkeit flieût nur, wenn ein Druckgefålle (dP/dx) da ist, welches die treibende Kraft zur Ûberwindung des Stræmungswiderstandes liefert. Die Volumenstromstårke I (synonym: Fluss, pro Zeit flieûendes Blutvolumen dV/dt) ist proportional der angelegten Druckdifferenz DP und umgekehrt proportional zum Stræmungswiderstand R: I = dV/dt = DP/R = (P1 ± P2)/R. Widerstand meint hier den inneren Stræmungswiderstand der Flçssigkeit, der von der Viskositåt abhångt, sowie den Reibungswiderstand mit der Gefåûwand. Weil gegen Widerstand angearbeitet werden muss, und dabei letztlich Energie als Wårme verloren geht, sinkt der Druck im Rahmen der zur Verfçgung stehenden Gesamtdruckdifferenz entlang der Strecke umso steiler ab, je græûer der ærtliche Widerstand ist. 2. Das Hagen-Poiseuille'sche Gesetz ist der Spezialfall des ¹Ohmschen Gesetzesª fçr starre Rohre von kreisrundem Querschnitt. Im Fall eines Rohres der Långe L und einer ungestærten (nichtturbulenten) Stræmung gilt:

d:h:: R ˆ

p
r 4
DP 8
g
L

8
g
L p
r4

Hierbei sind r der Rohrradius, L die Rohrlånge und g die Viskositåt der Flçssigkeit. Dieses Gesetz enthålt eine Aussage, die fçr die Physiologie des Kreislaufs eminent wichtig ist: Der Innenradius r geht mit der vierten Potenz in die Formel ein. Schon eine geringe Verånderung der Rohrweite hat dramatischen Einfluss auf die Menge Blut, die (bei gegebenem Blutdruckgefålle) pro Sekunde gefærdert werden kann. Eine Verringerung des Rohrquerschnitts auf die Hålfte bewirkt eine Reduzierung des Blutstromes auf 1/16; eine Aufweitung des Rohrs um 20% verdoppelt schon den Strom und damit die Menge an Wårme oder Blutzucker, die transportiert werden kann. 3. Das Bernoulli-Gesetz ist von Belang, wenn der Organismus die notwendige Wandstårke von Blutgefåûen herausfinden muss. Physikalisch betrachtet ist das Gesetz der fçr bewegte Flçssigkeiten formulierte Energie-Erhaltungssatz. In stræmenden Flçssigkeiten lassen sich drei Arten von Druck messen, die in ihrer Summe konstant bleiben, solange man nicht von auûen eingreift. Es sind dies l

der statische Wanddruck, der von der ungeordneten molekularen Bewegung der Teilchen herrçhrt, allseitig auf die Gefåûwånde wirkt und von natçrlichen wie den çblichen technischen Blutdruckmessern registriert wird;

l

der dynamische Stræmungsdruck (= ¹Staudruckª), der in der Långsrichtung des Rohres wirkt und die kinetische Energie der Teilchenschar in Stræmungsrichtung widerspiegelt, " und

9.2 Einkreissystem der Fische versus Zweikreissystem der Såuger

BOX K 9 (Fortsetzung) l

der hydrostatische Druck, der dem Gewicht der Flçssigkeit entspricht.

Betrachtet man der Einfachheit halber ein waagrechtes Rohr, so dass der Schweredruck als gleich bleibend betrachtet und vernachlåssigt werden kann, dann verhalten sich Stræmungsgeschwindigkeit und der mit dem Manometer (Blutdruckmessgeråt) messbare statische Druck gegensinnig. Bei hoher Stræmungsgeschwindigkeit drçckt die Flçssigkeit weniger auf die Rohrwand; der Gesamtdruck aus dem horizontalen Stræmungsdruck und dem allseitig wirksamen statischen Druck bleibt konstant. Eine hæhere kinetische Energie der Flçssigkeit geht also auf Kosten des statischen Drucks. Druckvolumenarbeit + kinetische Energie = const. Das hat çberraschende Konsequenzen und fçhrt zum hydrodynamischen Paradoxon: Wird ein Rohr eingeschnçrt, so nimmt die Stræmungsgeschwindigkeit zu und ist im engsten Durch-

lass am græûten; denn an jeder Stelle des Rohrs muss sich in jeder Sekunde die gleiche (inkompressible) Flçssigkeitsmenge zwången. An der engsten Stelle ist der Druck auf die Rohrwand keineswegs am hæchsten, wie man als physikalischer Laie wohl erwartet und der unglçckliche Ausdruck ¹Staudruckª suggeriert (der ¹Staudruckª der Fachsprache meint den horizontalen dynamischen Druck, der die Flçssigkeit vorantreibt, nicht den Druck auf die Rohrwand! ± daher auch ¹Staudruckª = Stræmungsdruck). Am Engpass ist der Druck auf die Wand am geringsten! Nach der Einschnçrung nimmt der Stræmungsdruck wieder ab und entsprechend die horizontale Flieûgeschwindigkeit; der statische Druck hingegen nimmt wieder zu (Abb. 9.1). In einem System mit vielen parallelen Ræhren (Blutkapillaren) ist der Gesamtquerschnitt der Ræhren von entscheidender Bedeutung. Zwar kann der statische Druck insgesamt hoch sein, er verteilt sich aber auf viele Kapillaren. Jede einzelne Kapillare hat einen nur geringen Wanddruck auszuhalten.

9.2 Einkreissystem der Fische versus Zweikreissystem der Såuger 9.2.1 Am Beginn der Evolutionsgeschichte steht ein Einkreissystem, am Ende ein Doppelkreissystem

Abb. 9.1. Bernoulli-Effekt

Bei Fischen treibt das Herz das Blut durch die Kiemen. Anschlieûend wird es eingesammelt und dem Kærper zugeleitet. Das Venensystem fçhrt das Blut zum Herzen zurçck. Der Druckabfall in den Kiemen ist groû ± ca. 80% des vom Herzen gelieferten Blutdrucks werden zur Ûberwindung des Stræmungswiderstandes in den Kiemen verbraucht. Dennoch gençgt als Pumpe ein einfaches Herz, zwar gegliedert in Vorkammer und Hauptkammer, aber als ein singulåres Pum-

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9 Der Kreislauf

penaggregat wirkend und nur mit einem Ausgang und einem Eingang versehen. Der Såuger, und ganz åhnlich auch der Vogel, hat ein Zweikreissystem. Der ¹kleine Kreislaufª fçhrt das Blut vom rechten Herzen in die Lunge. Von dort jedoch geht es nicht zum rechten Herzen zurçck, sondern ins linke Herz. Dieses treibt das Blut im ¹groûen Kreislaufª durch den Kærper. Die Vorteile des Zweikreissystems liegen auf der Hand. Wenn das Blut die Lunge mit ihren unzåhligen feinen Kapillaren verlåsst, ist das noch verfçgbare Druckgefålle zum Herzen hin nur mehr sehr gering. Das Gefålle gençgt noch, um das Blut mit ausreichender Geschwindigkeit zum Herzen zurçckstræmen zu lassen. Die noch verfçgbare Energie wçrde aber nicht gençgen, das Blut durch den Kærper zu treiben, zumal Organe wie Leber und Niere dem Blutstrom hohe Widerstånde entgegensetzen. Die zweite Herzhålfte wirkt als komplette zweite Pumpe. 9.2.2 Die Lunge wurde von Fischen fçr den Notfall ¹erfundenª Lungen wurden nicht erst von den frçhen Landwirbeltieren (Amphibien) erfunden, sondern ± mehrfach unabhångig ± von Fischen, die im Sçûwasser lebten. Erfinder waren vermutlich Fische in solchen Gewåssern, die wåhrend eines Teils des Jahres an Sauerstoff verarmten. Dies ist heute noch in den Ûberschwemmungsgebieten des Amazonas so, und dort findet man mancherlei Fischarten, die im Notfall Luft schnappen. Die mutmaûlichen Vorfahren der Amphibien schluckten wie die heutigen Lungenfische Luft in eine Aussackung der Speiseræhre. Diese Aussackung ist die Lunge, aus der sekundår die Schwimmblase derjenigen Fische entstanden sein dçrfte, die nach ihrem Wechsel in permanente und ausreichend durchlçftete Gewåsser ihre Lunge zur Schwimmblase umfunktionieren konnten. Fische haben eine Lunge oder eine Schwimmblase (oder keines von beiden). Fçr eine Lunge, die nur im Notfall als zusåtzliches Atemorgan benætigt wird, gençgt es, wenn sie im Nebenschluss in den Kreislauf eingebunden

wird. Es muss ja nicht alles Blut durch die Lunge getrieben werden. Faktisch wurden von den letzten Kiemenbogenarterien Zweige zur Lunge gelenkt (Abb. 8.15 u. 9.2). Das mit Sauerstoff angereicherte Blut wurde dem Venenblut zugemischt, das vom Kærper kommend dem Herzen zuflieût. 9.2.3 Die Umstellung vom Einkreissystem der Fische auf das Zweikreissystem der Såuger war ein schwieriges Unterfangen, das viele Millionen Jahre Evolution in Anspruch nahm Als die Kiemen aufgegeben werden mussten und auf der Evolutionsstufe der Reptilien die Hautatmung, die den Amphibien noch verfçgbar ist, auch noch ausfiel, war die Not groû. Nun musste die Lunge vergræûert und viel, mæglichst alles, Blut durch die Lungen gejagt werden. Das aber erforderte viele Umkonstruktionen. Schon die Lungenfische hatten eine wertvolle Vorleistung erbracht und das Lungenblut separat vom Kærperblut ins Herz einstræmen lassen. Nun mussten die Ausgånge vom Herzen aufgetrennt und çber Kreuz gelegt werden; erst dann konnte das Herz in zwei Herzen (zwei Hauptkammern plus dazugehærende Vorkammern) aufgetrennt werden (Abb. 9.2). Dies dçrfte auf der Evolutionsstufe der Saurier geschehen sein. Schon Krokodile haben ein Zweikreissystem (kænnen aber beim Tauchen çber einen Umschaltmechanismus in den Ausgången der Herzen den Lungenkreislauf weitgehend stilllegen). Vom Niveau der Reptilien aus haben Vægel und Såuger eine sehr åhnliche, aber nicht identische Læsung gefunden. 9.2.4 Im Mutterleib hatten auch wir noch einen ¹Fischkreislaufª; die Umstellung auf das Zweikreissystem bei der Geburt war nicht leicht Im Mutterleib wåre es nicht zweckmåûig, und wegen des hohen Stræmungswiderstandes auch kaum mæglich, alles Blut durch die noch kollabierte Lunge zu treiben. Auch atmeten wir mittels Kiemen! Die Zotten der Plazenta sind funktionell

9.3 Im Zentrum steht das Herz Abb. 9.2. Blutkreislåufe von Lungenfisch und Såuger im Vergleich. Weiûe Pfeile geben die Stræmungsrichtung des Blutes an, rote Pfeile weisen auf entscheidende evolutive Erneuerungen. Wird beim Lungenfisch die Lunge durch die Schwimmblase ersetzt, hat man den Kreislauf eines typischen Knochenfisches (Teleosteer) vor sich

Kiemen, die ins mçtterliche Blut tauchen. Wie ein Fisch hatten wir ein Einkreissystem, waren aber schon vor der Geburt fçr eine rasche Umstellung auf Luftatmung vorbereitet. Die Umstellung erfolgte mit dem ersten Atemzug. Wie das geschah, lese man in einem Buch çber Entwicklungsbiologie nach (z. B. Mçller u. Hassel 2006).

liegen: hoher Druck am Ausgang, niedriger Druck oder gar Unterdruck am Eingang. Bei der Mehrzahl der rhythmisch pulsierenden Herzen geschieht dies çber drei miteinander gekoppelte Mechanismen: l

Der Muskel der Hauptkammer (Ventrikel) verengt durch seine Kontraktion das Volumen des Binnenraums. Die nicht komprimierbare Flçssigkeit des Blutes geråt unter Ûberdruck, dem sie nur durch den Herzausgang in Arterien (oder Kærperhæhlen) ausweichen kann, weil Ventile den Weg zum Herzeingang versperren.

l

Wåhrend die Hauptkammer sich kontrahiert, erweitert sich die Vorkammer. Es entsteht in der Vorkammer ein Unterdruck, der Flçssigkeit aus Venen (oder Kærperhæhlen) ansaugt.

l

Die Volumenånderungen und Druckunterschiede zwischen Vor- und Hauptkammer werden durch eine periodische Verlagerung der Ventilebene unterstçtzt (Abb. 9.3).

9.3 Im Zentrum steht das Herz 9.3.1 Das Herz ist eine Saug-Druck-Pumpe Ein Herz muss als funktionstaugliche Pumpe Druckdifferenzen erzeugen, nicht bloû Druck. Man kann einen Autoreifen mit noch soviel Druck voll pumpen, die Luft zirkuliert nicht im Reifen. Wir brauchen eine Druckdifferenz entlang der Blutgefåûe und die Endpunkte dieser Differenz mçssen am Herzausgang und Herzeingang

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9 Der Kreislauf Abb. 9.3. Pumpmechanik. Links: Herz der Såuger (Mensch). Rechts: Herz eines Fisches (åhnlich: Mollusken). Gemeinsame Prinzipien sind periodische Ønderungen der Volumina verbunden mit einer periodischen Verlagerung der Ventilebene zwischen Vor- und Hauptkammer

Betrachten wir im Augenblick nur eine (beliebige) Kammer des Såugerherzens, so wirkt sie abwechselnd erst als Saugpumpe, dann als Druckpumpe. Bei der Diastole (Erweiterung) erzeugt sie Unterdruck (Sog) und saugt dadurch Blut an. Bei der

Systole (Kontraktion) erzeugt sie Ûberdruck und wirft Blut aus. Die Segelklappen (Atrioventrikular-Klappen) zwischen Vor- und Hauptkammer wirken als Ventile, deren Verlagerung der Hauptkammer hilft, bei ihrer Systole ihren Bin-

9.4 Die Steuerung der Blutstræme

nenraum zu verkleinern. Gleichzeitig hilft die Verlagerung der Ventilebene der Vorkammer, ihren Binnenraum zu erweitern und Sog zu entfalten. In der nåchsten Phase des Herzschlags, wåhrend der Diastole der Hauptkammer (Ventrikel), schieben sich die geæffneten Segelklappen çber die stehende Blutsåule, um Blut aus dem Vorhof abzuholen. Die Segelklappen schaufeln so periodisch Blut von der Vorkammer in die Hauptkammer. Diese presst das Blut in der Systole gegen die Taschenklappen, bis diese aufspringen und den Weg in die Arterien freigeben. 9.3.2 Das Herz pumpt 300 bis 1000 Liter pro Stunde

9.4.1 Um den globalen Strom zu steuern, wird zuerst die Pumpe reguliert Wenn wir arbeiten, die Treppe hochsteigen oder Sport treiben, wird der Kreislauf stårker in Anspruch genommen als in Ruhe. Ohne dass wir uns darçber viel Gedanken machen mçssten, zeigt das pochende Herz an, dass Blut in Mengen in Umlauf gebracht wird. Der Physiologe unterscheidet drei Mæglichkeiten, wie sich die Leistung des Herzens regeln und steuern låsst: l

Die intrakardiale Anpassung des Schlagvolumens. Diese Anpassung wird nicht von nervalen Impulsen befohlen, sondern vom Herzen selbst geleistet (intrakardial = innerhalb des Herzens erfolgend). Muss mehr Blut gefærdert werden, holt das Herz bei der Diastole weiter aus und erhæht so das Schlagvolumen, d. h. die pro Herzschlag gefærderte Blutmenge. Mit anderen Worten: das Herz kann selbsttåtig die Amplitude des Herzschlags variieren.

l

Die extrakardiale Anpassung der Kontraktionskraft. Wenn mehr Blut ausgeworfen werden muss, muss im Regelfall nicht nur die Schlagamplitude, sondern auch die Kontraktionskraft erhæht werden, weil der Widerstand in den Gefåûen nicht ohne weiteres geringer wird. Der Herzmuskel gehorcht in diesem Fall nervalen Steuerbefehlen, die çber Nervenfasern hereinkommen. Diese Fasern gehæren dem vegetativen Nervensystem, speziell dem Subsystem Sympathicus (s. Kap. 10) an, und setzen an ihrem Ende die Ûbertrågersubstanz Adrenalin frei. Wenn gleichzeitig die Herzamplitude und die Kontraktionskraft zunehmen, erhæht sich das Herzzeitvolumen. Es kann weiter gesteigert werden durch die Beschleunigung der Herzschlagfrequenz.

l

Die extrakardiale Anpassung der Schlagfrequenz. Hierfçr sind die gleichen ¹vegetativenª nervalen Fasern zuståndig, die auch die Kontraktionskraft regulieren. Allerdings sind nun

Bei einem Herzschlag wirft jeder Ventrikel 70 ml Blut aus. Das Herz pumpt im Mittel 70-mal in einer Minute. Es werden pro Minute 5 Liter in die Lunge gepumpt und anschlieûend in den Kærper. Das ganze vorhandene Blut durchstræmt also in einer Minute rechtes Herz, Lunge, linkes Herz und Kærper. l

5 Liter/min (es kænnen bis zu 25 l/min sein) ergeben

l

300 Liter/h

l

7200 Liter/Tag

l

2,6 Millionen Liter/Jahr

l

2 Milliarden Liter/75 Jahre.

Da man sich mitunter auch anstrengt und das Herz dabei bis zu 25 Liter/min pumpt, sind die tatsåchlichen Leistungen noch hæher. Gibt es einen vom Menschen hergestellten Motor, der an die hundert Jahre ununterbrochen låuft, ohne eine einzige Reparatur?!

9.4 Die Steuerung der Blutstræme Die Steuerung der Blutstræme im Kreislauf beginnt am Herzen, setzt sich in der Peripherie fort und endet im Herzen.

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226

9 Der Kreislauf Abb. 9.4. Funktionsplan des Blutkreislaufs. Die ¹Windkesselfunktionª (Abfangen des Druckpulses) und Wanderung der Pulswelle in der Aorta sind nochmals vergræûert dargestellt. (Nach Klinke u. Silbernagl 1996)

mehr die parasympathischen Fasern (s. Kap. 10) von Bedeutung. Bei kærperlicher Belastung fahren sie ihre bremsende Wirkung auf den Herzschrittmacher zurçck. Die Erhæhung der Herzschlagfrequenz geht vor allem auf Kosten der Diastole. Das Herz fçllt sich schneller. Was der natçrliche Herzschrittmacher ist, und wie die Herzmuskulatur zu koordinierten Kontraktionen und Expansionen stimuliert wird, erfahren wir im Kapitel 16, wenn wir wissen, wie elektrische Impulse erzeugt werden (Kapitel 14) und von Zelle zu Zelle weitergeleitet werden (Kapitel 15).

9.4.2 Variable Widerstånde in den Blutgefåûen erlauben es, das Blut je nach den Erfordernissen in verschiedene Regionen des Kærpers zu lenken Je nach den Erfordernissen des Augenblicks kænnen die Blutstræme im Kærper mehr hierhin oder mehr dorthin gelenkt werden. Maûgebliche Steuerelemente sind Muskelzellen, die die Blutgefåûe umhçllen (Abb. 9.4 u. 9.5). Sie kænnen lokal Gefåûe verengen oder erweitern. Das muss nach einem ausgeklçgelten Funktionsplan geschehen, der Rçcksicht auf die globalen und lokalen Erfordernisse nehmen muss. Dabei muss die Steuerzentrale vieles berçcksichtigen: Wer braucht vermehrt Sauerstoff? Geht Wårme verloren? Es ist

9.5 ¹Blutdruckª und der weite Weg durch den Kærper Abb. 9.5. Blutgefåûe

das vegetative Nervensystem mit seinen Steuerzentralen im Gehirn, das den Funktionsplan ausheckt. Wir erfahren darçber im Kapitel 10. Im Weiteren wollen wir den Weg des Blutes verfolgen, ohne schon steuernd eingreifen zu wollen.

9.5 ¹Blutdruckª und der weite Weg durch den Kærper Glossar zur Wegbeschreibung: Arterien (græûte ist die Aorta ascendens) ± Arteriolen ± Kapillaren ± Venolen ± Venen (græûte davon: Vena(e) cava(e), ins Herz mçndend). Physiologisch repråsentieren die starkwandigen Arterien das Hochdrucksystem, die dçnnwandigen Venolen und Venen das Niederdrucksystem. 9.5.1 Die ¹Windkesselfunktionª der Arterien dåmpft Blutdruckschwankungen und verbessert die Effektivitåt des Bluttransports Wåhrend der Systole der Hauptkammern fångt die elastische Aortenwand statischen Druck auf

und speichert ihn kurzfristig als potentielle Energie. Wenn wåhrend der Diastole des Herzens der Druck auf die Aortenwand nachlåsst, gibt sie die gespeicherte Energie wieder frei. Ein groûer Teil davon wird dabei in Stræmungsdruck verwandelt, weil der Widerstand in Stræmungsrichtung nunmal am geringsten ist. Wåhrend die Herzkammer sich von ihrer Anstrengung in der Diastole erholt, wird der Blutflçssigkeit durch die elastisch zurçckschwingende Aortenwand weiter kinetische Energie vermittelt. Insgesamt verbessert diese so genannte Windkesselfunktion der Aortenwand die Effektivitåt des Transports. Kurze Pulse mit hohen Drçcken auf die Wandung werden zeitlich gedehnt und in eine mehr kontinuierliche Stræmung umgesetzt. Gegençber einer starren Ræhre ist der Fluss verbessert; zugleich wird die Belastung der Gefåûwånde reduziert. Interessanterweise låuft die Pulswelle schneller als die Blutflçssigkeit selbst. Wie beim Schall versetzen die Wassermolekçle ihren Nachbarn einen Stoû, und diese Impulsçbertragung setzt sich von Molekçl zu Molekçl rasch fort. Kaum hat das Blut selbst den Brustkorb verlassen, ist der Puls schon im Fuû angekommen.

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9 Der Kreislauf

9.5.2 Lebensweisheiten und Faustregeln fçr Bluthochdruck-Gefåhrdete: 100 plus Lebensalter Der Blutdruck zwischen systolischem Maximum und diastolischem Minimum pendelt bei einer ruhenden, 20-jåhrigen ¹Normpersonª l

im linken Herzventrikel zwischen 125 und 0 mmHg,

l

in der Aorta zwischen 125 und 70 mmHg,

l

in der Armarterie zwischen 120 und 80 mmHg.

Der gesundheitsbewusste Laie bekommt vom Arzt die Faustregel mitgeteilt, der systolische Ruhewert solle 100 plus Lebensalter nicht çberschreiten, der diastolische soll stets unter 100 bleiben. Im Sport und bei anstrengender Leistung sind kurzfristige Spitzenwerte bis zu 220 mmHg erlaubt. Darçber drohen Herzinfarkt und Schlaganfall. Wir sollten uns stets vor Augen halten, dass der vom Arzt und Physiologen gemessene ¹Blutdruckª den Druck des Blutes auf die Gefåûwand widerspiegelt, nicht den Stræmungsdruck. Der ærtliche statische Druck kann aber durchaus einen brauchbaren Schåtzwert çber die Stræmungsverhåltnisse geben, es sei denn, ein Gefåû ist verstopft ± beispielsweise durch ein Gerinnsel. Dann verwandelt sich der Stræmungsdruck in statischen Druck. Der ærtliche Blutdruck ist dann hoch, doch das Blut stockt. Passiert dies in den Herzkranzgefåûen, wird Herzinfarkt diagnostiziert, passiert das in den Gefåûen, die ins Gehirn fçhren, heiût die Diagnose Schlaganfall. 9.5.3 Kapillarisierung færdert den Stoffaustausch in mehrfacher Hinsicht Durch die Kapillaren muss genauso viel Blut pro Zeiteinheit flieûen, wie das Herz auswirft; die Venen mçssen genau soviel wieder zum Herzen zurçckbringen. Nun sind jedoch die Radien der Ræhren und die Widerstånde, die die Gefåûe dem Strom entgegensetzen, sehr unterschiedlich (Abb. 9.6).

Das Herz liefert einen bestimmten Ausgangsdruck. Er bringt in der Aorta das Blut zum Stræmen ± Stræmungsdruck ±, er dehnt die Gefåûwånde ± statischer Druck ± , und er hebt die Blutsåule in den nach oben fçhrenden Gefåûen gegen das Gewicht der Såule ± hydrostatischer Schweredruck (Box 9.1). Wir kænnen am Einfachsten diejenige Druckkomponente messen, welche die Blutgefåûe dehnt. Das nennen wir dann den Blutdruck. In der Aorta muss der Strom konstant sein. Da ihr Durchmesser gleich bleibt, schlieûen wir von konstantem Strom auf konstante Flieûgeschwindigkeit und konstanten Stræmungsdruck. Wir messen aber einen geringen Abfall des Blutdrucks, d. h. des statischen Drucks auf die Wand. Energie ist abgezogen und zur Ûberwindung des Widerstandes eingesetzt und schlieûlich als Wårme verbraucht worden. Viel ist es nicht, was an Blutdruck in den Arterien verloren geht. Der ganze Arterienbaum repråsentiert das Hochdrucksystem. In den engen Arteriolen steigt der Widerstand gewaltig. Es muss viel Energie zu seiner Ûberwindung aufgebracht werden. Dies geht auf Kosten des Drucks. Der Gesamtdruck nimmt ab; der auf die Gefåûwand lastende Druck nimmt entsprechend ab (Tabelle 9.1). Dies ist von Vorteil: Die Gefåûwånde kænnen dçnner und dçnner gestaltet werden, und das færdert den Stoffaustausch zwischen Blut und Umgebung (Abgabe von Sauerstoff und Glucose, Ûbernahme von Kohlendioxid und anderen Endprodukten des Stoffwechsels). Andererseits ist in der einzelnen Kapillare der Rohrradius klein. Nach Hagen-Poiseuille reduziert ein auf die Hålfte verkleinerter Rohrradius den Strom, der pro Sekunde durchflieût, auf 1/16. Werden also an die Aorta Ræhren vom halben Radius angeschlossen, so brauchen wir 16 Ræhren, um den gleichen Fluss zu garantieren. So viele Ræhren in der Entwicklung des Embryos und des jugendlichen Kærpers herzustellen, bedeutet einen gewaltigen Aufwand. Andererseits bringt der geleistete Aufwand wiederum Vorteile. Wir kænnen den Blutstrom weit veråsteln. Um den gesamten Blutstrom nicht çber Gebçhr zu verlangsamen oder gar zum Stillstand zu brin-

9.5 ¹Blutdruckª und der weite Weg durch den Kærper Abb. 9.6. Druckverhåltnisse, Stræmungsgeschwindigkeiten und summarische Gefåûquerschnitte im groûen Kreislauf zwischen linkem und rechtem Herzen

Tabelle 9.1. Hæchster Blutdruck wåhrend der Systole des Herzens in Ruhe (und bei Belastung) Ort

re. Ventrikel li. Ventrikel Aorta Kapillarenanfang Kapillarenende

Blutdruck (Werte bei Belastung) in mmHg

in kPa

25 120 (220) 120 (220) 32 17

3,3 16,0 (30) 16,0 (30) 4,3 2,3

gen, muss der Gesamtquerschnitt aller Kapillaren sehr groû sein.

Querschnittsflåche: l Aorta 4 cm2 l Arterien & 20 cm2 l Arteriolen 400 cm2 2 l Kapillaren 4500 cm 2 l Groûe Venen 8 cm . Wegen dieses groûen Gesamtquerschnitts flieût in jeder einzelnen Kapillare das Blut nicht wie in einer ¹Bernoulli-Verengungª besonders schnell, sondern besonders langsam ± und çbt trotzdem nur einen geringen Druck auf die Kapillarwånde aus. Viel Druck ging zur Ûberwindung der Widerstånde verloren, und der verbleibende Restdruck verteilt sich auf viele Gefåûe.

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9 Der Kreislauf

Im Bereich der Kapillaren geschieht alles, worauf es im Kreislauf ankommt. Rasch kænnen Substanzen mit den Zellen und der Interstitialflçssigkeit ausgetauscht werden. Kapillaren sind kurz, nicht einmal 1 mm lang. Es gibt aber in unserem Kærper ca. 40 Milliarden davon; ihre Austauschflåche wird auf 1000 m2 geschåtzt. 9.5.4 In manche Gebiete, z. B. ins Gehirn, wird der Blutstrom autoregulatorisch konstant gehalten Da nach Hagen-Poiseuille der Rohrquerschnitt in ganz besonderem Maû den Durchfluss bestimmt, steht dem Organismus eine elegante und einfache Mæglichkeit offen, die Durchblutung eines Organs zu steuern. Er kann die Gefåûwånde mit Muskelzellenversehen, die durch Kontraktion oder Expansion den Querschnitt rasch veråndern kænnen. In den Zuflçssen zu einigen Organen reagieren die Muskelzellen auf Blutdruckschwankungen automatisch so, dass der Zufluss konstant bleibt. Davon profitieren das Gehirn, die Niere und der Darm.

Abb. 9.7. Muskelpumpe und Begleitarterien

l

Die Muskelpumpe. Muskeln quetschen die Venen zusammen. Ventile in den Venen, die Venenklappen (Abb. 9.7), sorgen dafçr, dass das Blut dem Druck nur Richtung Herz ausweichen kann. Wenn wir ¹mal unsere Beine vertretenª, setzen wir die Muskelpumpe in Gang. Bei Krampfadern ist die Funktion der Venenklappen gestært; es kommt zum Blutstau in den Venen.

l

Begleitarterien. Arterien begleiten Venen, wenn auch in Gegenrichtung. Die Pulswelle, welche die Arterien dehnt, çbertrågt sich auf die Venen. Die Venenklappen sorgen wieder dafçr, dass dort das Blut Richtung Herz ausweicht.

l

Die Atmungs-Saug- und Druckpumpe. Wåhrend des Einatmens wird der Brustkorb erweitert und mit dem Brustkorb werden auch die Gefåûe gedehnt, die ihn durchziehen. Die Venen saugen Blut an. Bei der Exspiration werden die Gefåûe wieder komprimiert. Die Venen werden also abwechselnd gedehnt und komprimiert, åhnlich den kontraktilen Venen im

9.5.5 In den Venen mçssen Hilfsmaûnahmen einen ausreichenden Fluss gewåhrleisten In den Venen kommt nur mehr geringer Druck an. Er verteilt sich auf geringen Stræmungsdruck und geringen Wanddruck. Venen repråsentieren das Niederdrucksystem. Der Organismus kann sich Wandmaterial sparen und die Venenwånde dçnner gestalten als die Arterienwånde. Um eine ausreichende Stromstårke zu ermæglichen, muss der Querschnitt der Venenschlåuche græûer als der der Arterien sein. Das ist alles kein Problem. Doch in manchen Kærperpartien will sich das Blut gar nicht mehr bewegen; es stockt. Das Blut kommt im Venensystem an mit gerade noch 2 bis 4 mmHg (statischem) Druck. Der Druck reicht nicht mal, um im stehenden Menschen die Blutsåule gegen ihr eigenes Gewicht das Bein hinauf zu hieven. Es mçssen Hilfsmaûnahmen her. Beim Menschen nennt der Physiologe vier solche Hilfsmechanismen:

9.6 Blutgerinnung ± oder wie man Blutgefåûe abdichtet

Flçgel der Fledermaus oder dem schlauchfærmigen Herzen der Arthropoden (die aber eine eigene Muskulatur haben). Zum dritten Mal kommen die Venenklappen mit ihrer Gleichrichterfunktion zum Zuge. l

Zu guter Letzt wirkt das Herz als Saugpumpe, wenn die Ebene der Segelklappenventile verschoben wird (s. Abb. 9.3). Wir sind wieder beim Herzen angekommen.

9.6 Blutgerinnung ± oder wie man Blutgefåûe abdichtet 9.6.1 Blutgerinnung ist ein Dauervorgang; er dient dem Abdichten der Gefåûe Blutgefåûe, auch Kapillaren, stehen unter Druck. Es wird aus ihnen dauernd Wasser herausgepresst. In einem gewissen Ausmaû ist dies durchaus erwçnscht. Es færdert den Stoffaustausch. Trotzdem mçssen die Gefåûe abgedichtet werden, um den Wasserverlust in Grenzen zu halten, und da die Gefåûe durch Dehnung und Kompression dauernd mechanisch beansprucht werden und auch das Dichtmaterial selbst altert, muss die Dichtung immer wieder erneuert werden. Was ist das Dichtmaterial? Die Ûberschrift hat es verraten: dasselbe, mit dem bei Verletzungen die Gefåûe abgedichtet werden (Abb. 9.8). 9.6.2 Bei Verletzungen sorgt ein System kontrollierter Blutgerinnung fçr Abdichtung; dabei ermæglicht eine Kaskade von Serinproteasen die Erzeugung eines polymeren Fibrinnetzes Bei Verletzungen wird die sonst nur langsam und çberaus vorsichtig vonstatten gehende Produktion von Dichtmaterial lokal beschleunigt und verstårkt. Ein Propf aus geronnenem und versponnenem Fibrin soll das Loch stopfen, aber nicht die Gefåûe verstopfen. Das Dichtmaterial ist in Form von ungefåhrlichem Rohmaterial schon im Blut vorhanden. Es ist ein Protein, wird laufend von

der Leber erzeugt und kursiert als Fibrinogen im Blut. Fibrinogen kann erst zum netzfærmigen Polymer des Fibrins ¹gerinnenª (das heiût polymerisieren), wenn ein Peptidstçck abgetrennt ist. Dazu braucht man eine Protease. Und um eine aktive Protease zu bekommen, braucht man eine zweite Protease, die aus der inaktiven Vorstufe (Zymogen) der ersten Protease ein hemmendes Peptidstçck abtrennt. Um die zweite Protease zu bekommen, braucht man eine dritte Protease. Um eine dritte zu bekommen, braucht man eine vierte . . . . Wo soll das enden? Die Kaskade endet, richtiger gesagt sie beginnt, bei einem von zwei mæglichen Auslæsern. Langsame Aktivierung. Der eine Auslæser ist der Plåttchenfaktor: Blutplåttchen (englisch: platelets) setzen ihn frei, wenn sie in Berçhrung zu einer ¹nacktenª, noch nicht mit Fibrin beschichteten Oberflåche kommen. Eine solche aktivierende Oberflåche kann die freigelegte Basallamina der Gefåûe sein oder aber ein Fremdkærper wie z. B. ein Glassplitter. Plåttchen aggregieren zum Plåttchenthrombus, der den Faktor freisetzt. Rasche Aktivierung. Der andere Trigger ± oder die anderen Triggerfaktoren ± sind Substanzen, die aus verletzten Zellen auslecken. Sie verursachen eine besonders rasche Gerinnung. Vernetztes Fibrin wird mit Blutzellen und Blutplåttchen vermengt. Eine weitere Phase der Fibrinvernetzung fçhrt dazu, dass sich das Gerinnsel kontrahiert und zum Propf (Thrombus) verdichtet (Abb. 9.8). 9.6.3 Die Umkehrung des Vorgangs schçtzt vor Herzinfarkt und Schlaganfall Ein Dichtungspropf ist ein Notbehelf. Er soll das Eindringen von Infektionskeimen und allzu groûen Blutverlust verhindern. Andererseits besteht die Gefahr, dass der Propf das Blutgefåû verstopft oder sich ablæst und vom Blutstrom mitgerissen wird. Dann kann das Gerinnsel andernorts Blutkapillaren verstopfen. Wir haben schon einmal

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232

9 Der Kreislauf Abb. 9.8. Blutgerinnungssystem. Eine beschleunigte Blutgerinnung (= Fibrinbildung) kann von einem Aggregat von Blutplåttchen (¹Thrombocytenª) ausgehen oder von verletzten Zellen. Es bildet sich ein Maschenwerk aus Fibrin, in das Thrombocyten und Erythrocyten eingebettet werden. Der entstehende Propf (Gerinnsel) dichtet das Leck ab. Von den ¹Faktorenª sind nur einige gezeigt, die eine Schlçsselfunktion haben oder medizinisch wichtig sind. Viele Faktoren sind Proteasen, die der Familie der Serinproteasen angehæren

9.7 Wasserkreislauf zwischen Blutkapillaren und Gewebe und das Lymphdrainagesystem

die Warnworte Herzinfarkt und Schlaganfall gehært. Wegen solcher Gefahren wird im Normalfall der Dichtungspropf wieder aufgelæst. Dazu braucht man wieder ± eine Protease. Fçr den Evolutionsbiologen von besonderem Interesse ist die Erkenntnis, dass fast alle ins Spiel kommenden Proteasen der Familie der Serinproteasen angehæren, wie auch die Verdauungsenzyme Trypsin und Chymotrypsin und wie die Komplementfaktoren des Immunsystems (s. Kap. 7). Ein ¹Faktorª, der von Granulocyten produziert wird und den Auflæsungsprozess triggert, ist der Plasminogenaktivator. Er wird in der Klinik eingesetzt, um Gerinnsel bei Schlaganfall oder Herzinfarkt schnell und ohne chirurgischen Eingriff beseitigen zu kænnen. Der Faktor wird heute gentechnisch hergestellt (und soll gutes Geld einbringen).

9.7 Wasserkreislauf zwischen Blutkapillaren und Gewebe und das Lymphdrainagesystem 9.7.1 In den Kapillaren wird filtriert und resorbiert Aus den Blutkapillaren mit ihren dçnnen Wånden tritt trotz Dichtung Wasser aus. Die Kapillarenwand hålt zwar Erythrocyten und Blutproteine zurçck, doch wird Blutwasser mit niedermolekularen Substanzen ausfiltriert. Das ist nicht zum Schaden; denn es soll ein ståndiger Austausch der Blutflçssigkeit mit der interstitiellen Flçssigkeit stattfinden. Die interstitielle Flçssigkeit ist jene wåssrige Salzlæsung, die die Zellen in unserem Kærperinneren umspçlt oder als Flçssigkeitsfilm çberzieht. Ûber den ståndigen Austausch Blutflçssigkeit gegen interstitielle Flçssigkeit kann beispielsweise die ionale Zusammensetzung der interstitiellen Flçssigkeit rasch modifiziert und korrigiert werden; Blutzucker kommt rascher an die Endverbraucher als wenn die Endstrecke ausschlieûlich per Diffusion bewåltigt werden mçsste. Blutwasser verlåsst die Kapillaren in der

Nåhe ihres arteriellen Endes, und kehrt in der Nåhe ihres venæsen Endes groûenteils in die Kapillaren zurçck. Was sind die treibenden Kråfte? Austreibende Kraft ist der statische Blutdruck. Die Menge an ausfiltriertem Wasser ist gewaltig und wird beim erwachsenen Menschen auf 20 l/Tag geschåtzt. Selbstverståndlich muss ebensoviel Wasser wieder ins Blut zurçckgefçhrt werden. Fçr die Rçckfçhrung in die venennahen Abschnitte der Kapillaren werden zwei Kraftquellen verantwortlich gemacht: l

Der kolloidosmotische Druck. Mit dem Verlust von Wasser steigt im Blutplasma die Konzentration an gelæstem Protein. Dies erzeugt einen osmotischen Rçcksog.

l

Aktiver, indirekter Wassertransport nach dem Muster, das wir in der Niere diskutiert haben (s. Abb. 6.10).

Von den 20 l/Tag Blutplasma, die die arteriennahen Kapillarenabschnitte verlassen, kehren 18 l/ Tag in die venennahen Abschnitte zurçck. Es bleiben 2 Liter im Gewebe, die auf anderem Weg eingesammelt und in den Kreislauf rçckgefçhrt werden mçssen (s. Abb. 9.4). 9.7.2 Das Lymphdrainagesystem ist mit Filtern bestçckt und wird von muskulåren Pumpen betrieben Das verlorene Blutwasser von 2 l/Tag wird çber die blind beginnenden Lymphkapillaren eingesammelt. Diese vereinigen sich zu Lymphkanålen; die Kanåle konvergieren zu den groûen Lymphgefåûen; die Gefåûe mçnden nahe dem Herzen in die groûen Hohlvenen (s. Abb. 5.1). In die Lymphbahnen sind Filter eingehångt, die von Immunzellen laufend kontrolliert und gereinigt werden. Diese Filter sind die Lymphknoten, als deren græûter die Milz angesehen werden kann (s. Kap. 7). Blickt man auf einen Querschnitt eines Lymphknotens (s. Abb. 7.1), entdeckt man an den Stellen, wo Lymphkanåle ein- und ausmçnden,

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234

9 Der Kreislauf

Ventilklappen wie sie in åhnlicher Form an den Ausgången des Herzens zu finden sind. Sind Lymphknoten auch Lymphherzen? Durchaus! Die Lymphknoten sind mit glatten Muskelzellen umhçllt und kænnen sich ± wenn auch langsam und in gemåchlichem Rhythmus ± periodisch kontrahieren. Auch die Lymphgefåûe sind ab-

Zusammenfassung des Kapitels 9 Umgewålzte Flçssigkeiten zum Transport und Verteilen von Substanzen sind bekannt als Gastrovaskularflçssigkeit bei verschiedenen Wirbellosen, als Håmolymphe bei Arthropoden, als Blut und Lymphe bei Wirbeltieren. Blut zirkuliert, wenn mittels eines als Druck-Saugpumpe arbeitenden Herzens Druckdifferenzen erzeugt werden. Der Blutkreislauf der Fische, aber auch noch der des Menschen vor seiner Geburt, ist ein Einkreissystem, in dem Blut mittels einer einzigen Druck-Saugpumpe çber die Kiemen bzw. Plazentazotten in den Kærper gepumpt und vom Kærper zurçckgeholt wird. Såuger nach ihrer Geburt, und åhnlich die Vægel, haben ein Zweikreissystem mit Doppelherz. Der kleine, vom rechten Herzen angetriebene Kreislauf fçhrt çber die Lunge, der groûe, vom linken Herzen angetriebene versorgt den Kærper. Der Blutstrom wird energetisch getrieben von Druckdifferenzen. Der an jedem Ort herrschende Gesamtdruck gliedert sich in den mit Blutdruckmessern erfassbaren Wanddruck und den in Långsrichtung der Gefåûe wirkenden Stræmungsdruck. Beide Druckkomponenten fallen zwischen Herzausgang und Herzeingang in den Blutgefåûen ab, wobei die groûen Arterien das Hochdruck-, die groûen Hohlvenen das Niederdrucksystem repråsentieren. Nach Hagen-Poiseuille bestimmt der Rohrquerschnitt in ganz besonderem Maû den Durchfluss dV/dt, weil der Rohrradius mit der 4. Potenz in die Flussgleichung eingeht. Venen

schnittsweise von glatten Muskelzellen umhçllt. Da sie zudem, den Venen vergleichbar, mit Ventilklappen versehen sind, kann zusåtzlich zur Eigenmuskulatur der Gefåûe auch die Muskelpumpe Lymphe bewegen, ebenso wie sie Venenblut færdert (s. Abb. 9.7).

haben græûere Querschnitte als Arterien und kænnen, weil nur mehr geringer Wanddruck herrscht, dçnnwandig gestaltet werden. Der geringe Stræmungsdruck in den groûen Venen wird durch verschiedene lokale Hilfspumpen (pulsierende Begleitarterien, Atmungspumpe, Muskelpumpen) aufgebessert; das dem zusåtzlichen Druck weichende Blut wird mittels Venenklappen Richtung Herz gelenkt. Im arteriellen System kænnen durch lokale Verengung oder Erweiterung der Arterien und Arteriolen mittels Muskelzellen, welche die Gefåûe umhçllen, die Blutstræme je nach Bedarf hier hin oder dort hin gelenkt werden, gesteuert vom vegetativen Nervensystem und dem Hormon Adrenalin. Bei konstantem Rohrquerschnitt ermæglichen hohe Differenzen im Stræmungsdruck hohe Flieûgeschwindigkeiten bei reduziertem Wanddruck (Bernoulli-Gesetz); Blutstau hingegen erzeugt hohen Wanddruck. Im Gebiet der Blutkapillaren jedoch ermæglicht ein sehr hoher Gesamtquerschnitt eine langsame Stræmungsgeschwindigkeit bei geringen Wandstårken; dies ist færderlich fçr den Stoffaustausch mit dem umgebenden Gewebe. Blutgefåûe werden laufend mittels Fibrinogen, das zum polymeren Fibrin ¹gerinntª, abgedichtet, ein Vorgang, bei dem eine Kaskade von Proteasen, endend bei der Protease Thrombin, und weitere Gerinnungsfaktoren am Werk sind. Bei Verletzung wird die Blutgerinnung durch Thrombocyten oder Substanzen aus verletzten Zellen stark beschleunigt und einen Blutpropf zur Abdichtung des Lecks erzeugt.

9.7 Wasserkreislauf zwischen Blutkapillaren und Gewebe und das Lymphdrainagesystem

Unprogrammgemåûe Blutgerinnsel kænnen zu Herzinfarkt und Schlaganfall fçhren. Trotz Dichtung tritt eine nicht vernachlåssigbare Menge des unter Druck stehenden Blutwassers in die Gewebe çber und muss mit dem Drainagesystem der Lymphgefåûe in den Blut-

kreislauf zurçckgefçhrt werden. In die Lymphbahnen sind Lymphknoten eingebaut, die als Lymphherzen fungieren und in denen Lymphocyten als Vertreter des Immunsystems die Kærperflçssigkeit çberwachen.

235

10 Das vegetative Nervensystem Integrierte Steuerung von Atmung, Kreislauf und Kærpertemperatur

10.1 Regelkreis-Automaten und ihre Kontrolle durch das autonome, vegetative Nervensystem 10.1.1 Warum sich das Gehirn mit ¹vegetativenª Funktionen befassen muss Wir sprechen heute noch von ¹vegetativerª Physiologie, weil die bisher besprochenen Funktionen des Kærpers nach Meinung von Gelehrten der Antike (Aristoteles) und ihrer gelehrigen europåischen Schçler bis in die frçhe Neuzeit als ¹pflanzenhaftª eingestuft worden sind. Empfindungen und Bewusstsein hatten wir ja bisher allenfalls als weit entfernte schemenhafte Randerscheinungen ins Spiel gebracht, und Geist war, so scheint es, nur zum Verstehen und Lernen des Stoffes nætig. Doch das tåuscht: Unbewusst war unser Gehirn immer schon im Spiel. Sogar im Schlaf hat sich unser Gehirn mit vegetativen Funktionen befasst. Die Systeme der Versorgung und Entsorgung, die Tåtigkeiten des Verdauungstraktes, der Leber, der Niere, der Atemorgane und des Kreislaufs mçssen aufeinander abgestimmt sein und den momentanen Erfordernissen angepasst werden. Es ist ein groûer Unterschied, ob ich getrieben von Hunger und Durst herumziehe im Bemçhen, etwas zum Essen und Trinken zu finden, ob ich gesåttigt und zufrieden mein Mittagsschlåfchen halte, oder ob ich in der Arbeit, im Sport, im Examen oder in der Auseinandersetzung mit einem Aggressor hæchste kærperliche oder geistige Leistungen erbringen soll.

Es wird nie gençgen, nur die Leistung des Herzens, nur die Rhythmik der Atemmuskulatur, nur die Funktionen der Leber zu regeln und zu steuern. Stets muss eine zentrale Instanz den Ûberblick çber alle Einzelerfordernisse behalten und im Falle von Zielkonflikten Anweisungen erteilen, die auf Kompromissen beruhen. Wir vermuten zu Recht, dass diese zentrale Instanz ihren Sitz im Zentralnervensystem hat. Denn schlieûlich werden viele Informationen ausgewertet werden mçssen, wenn ein tauglicher Arbeitsplan entworfen werden soll. Das schlieût nicht aus, dass bei einfachen Regelprozessen Automatismen die Aufgabe erleichtern. l

Herztåtigkeit, Blutdruck, Steuerung der Blutstræme;

l

Atemtiefe und Atemfrequenz;

l

Thermoregulation mit Wårmeerzeugung oder Schweiûsekretion;

l

Sekretion der Speichel- und Bauchspeicheldrçsen;

l

Magen- und Darmmotorik bis hin zur Entleerung der Blase.

All dieses und manches mehr steht unter der Kontrolle des Teils unseres Nervensystems, çber dessen Funktion unser Bewusstsein nur sehr wenig erfåhrt und auf das wir willentlich nur bedingt Einfluss nehmen kænnen. Es heiût deshalb auch autonomes Nervensystem. Es steht jedoch mit psychomotorischen Zentren im Gehirn in kommunikativer Verbindung und mit Arealen, die Hunger und Durst, Wohlbefinden und Missempfindung, Angst und Aggression hervorbrin-

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10 Das vegetative Nervensystem

und des Zwischenhandels, den die Import-Export Firma Leber betreibt;

gen. Fehlsteuerungen fçhren unter anderem zu psychosomatischen Symptomen. Welche Teile unseres gesamten Nervensystems dem autonomen System zuzuordnen sind, wird im Kapitel 10.2 erlåutert. Es sei hier schon darauf hingewiesen, dass in dieser Frage unsere Lehrbçcher recht unterschiedliche und oft nur fragmentarische Antworten geben.

Regelung und Steuerung sind Begriffe, denen im Sprachgebrauch des Alltags oft die gleiche Bedeutung unterlegt wird. In der Fachsprache des Technikers und Physiologen sind diese Begriffe jedoch nicht synonym. l

Regelung meint das Konstanthalten eines Wertes,

l

Steuerung meint die gezielte Verånderung eines Wertes. Im Englischen wird ¹regulationª meistens wie im Deutschen im Sinn von ¹Korrektur zum Konstanthalten eines Wertes oder Prozessesª gebraucht, hingegen ist control ein Ûberbegriff, der Regeln und Steuern umfasst.

10.1.2 Vieles, was es zu regeln gilt, spiegelt sich in Werten des Blutes und Kreislaufs wider Der Blutkreislauf vermittelt den Stoff- und Wårmeaustausch zwischen Auûenwelt und Innenwelt, und er vermittelt den Stoffaustausch zwischen den Organen. Umgekehrt spiegeln sich Tåtigkeiten und Erfordernisse vieler Organe in Werten wider, die im Blut und Kreislauf gemessen werden kænnen und die der Organismus nach Mæglichkeit konstant zu halten sucht: l

Bluttemperatur als Funktion z. B. des Energieumsatzes;

l

Blutdruck als Funktion z. B. der Kreislaufarbeit;

l

Blutvolumen als Funktion von Flçssigkeitsaufnahme und -verlust;

l

Blutzuckergehalt als Funktion des Imports aus der Nahrung, des Exports an die Verbraucher

l

pO2, pCO2, pH als Funktionen der Stoffwechselintensitåt und der Atemtåtigkeit;

l

Gehalt an Elektrolyten (Salzionen) und vielen anderen Substanzen als Funktionen der Aufnahme çber den Darm und der Ausscheidung çber die Niere;

l

Gehalt (Titer) von Hormonen zur Regelung vieler der genannten Funktionen und Stoffwerte. 10.1.3 Der Regelkreis: Wie er funktioniert und welche Begriffe man kennen sollte

Um Werte konstant zu halten, gençgt ein einfacher Halte-Regelkreis. Um einen Wert gezielt zu veråndern, braucht es eine Fçhrungsgræûe. Solche Begriffe aus der Regeltechnik haben Eingang in die Sprache des Physiologen gefunden. Daneben liest man noch altehrwçrdige Begriffe der Physiologie wie Homoiostase oder Homæostase: das Konstanthalten des ¹inneren Milieusª im Kærper, womit man beispielsweise eine bestimmte ionale Zusammensetzung der Kærperflçssigkeiten meint. Die Ûbertragung von Begriffen und mathematischen Berechnungsverfahren der Regelungstechnik auf biologische Vorgånge hat im Ûberbegriff Biokybernetik seinen Ausdruck gefunden (griechisch: kybernes = Steuermann). Regel¹kreisª (control circuit, closed-loop controller) meint ein System, in dem ein kreisfærmiger Informationsfluss es ermæglicht, in einem geschlossenen Wirkungskreis einen bestimmten Wert konstant zu halten. Das klingt nach Definition, wie man sie in Lexika findet. Zu verstehen ist der Regelkreis besser, wenn man ein Blockdiagramm vor Augen hat (Abb. 10.1) und eine konkrete Regelgræûe betrachtet. Wie in Lehrbçchern çblich, werden im Folgenden die Begriffe und Funktionsweise des Regelkreises am Beispiel eines Thermostaten erlåutert; denn Thermoregulation soll ohnedies eines der Beispiele sein, die wir besprechen.

10.1 Regelkreis-Automaten und ihre Kontrolle durch das autonome, vegetative Nervensystem l

Abb. 10.1. Regelkreis

l

Regelgræûe (controlled variable). Im Zentrum des Geschehens steht die Regelgræûe, der zu regelnde Wert (Parameter), hier die Kærpertemperatur. Genauer gesagt ist es die Kerntemperatur im Inneren unseres Kærpers; denn es ist unserem Organismus nicht mæglich, all çberall die Kærpertemperatur konstant zu halten. Nasenspitze und Ohrlåppchen, Finger und Zehen mçssen im Winter schon mal Kålte ertragen. Der Wårmeverlust wåre zu groû, wçrde man auch diese exponierten Stellen voll auf 37 8C aufheizen.

l

Regelstrecke ist der råumliche Bereich, in dem die Regelgræûe konstant gehalten wird, hier das Blut im Kærperkern. Man darf sich vom Wort ¹Streckeª nicht irrefçhren lassen. Meistens haben wir es mit Råumen zu tun.

l

Istwert (actual variable) und Sollwert (setpoint, target variable). Wenn ich einen Wert konstant halten will, muss ich erst einmal wissen, wie ihr momentaner Istwert ist. Erst dann kann ich feststellen, ob er gegençber dem Sollwert abweicht.

Fçhler (sensor) ist ein Messorgan, das den Istwert misst. In der Physiologie darf der Begriff Fçhler getrost gleichgesetzt werden mit Sinneszelle oder Sinnesnervenzelle (sensorisches Neuron). Auch die Begriffe Rezeptor (im Sinne der Sinnesphysiologie) oder Sensor werden viel gebraucht. In der Sinnesphysiologie sind mit dem Ausdruck Rezeptoren Sinneszellen verstanden. Um sie von molekularen Rezeptoren zu unterscheiden, die in der Zellmembran sitzen und ein Signalmolekçl (Neurotransmitter, Hormon) einfangen und binden, ist es zweckmåûig, die einschlågigen Sinnesrezeptoren gleich als Thermorezeptoren, Dehnungsrezeptoren, pCO2-Rezeptoren usf. nåher zu definieren.

Fçhler in physiologischen Regelkreisen messen Zustånde im Kærperinneren. Man bezeichnet sie deshalb auch als Endorezeptoren (Innenrezeptoren) oder Propriorezeptoren (Eigenrezeptoren). Die Thermoregulation ist hier insofern ein Ausnahmefall, als auûer der inneren Kerntemperatur auch die Auûentemperatur gemessen wird, wie dies das Regelsystem einer technisch ausgereiften Zentralheizung auch tut. l

Regler (controller). Der gemessene Istwert wird einem zentralen Regler gemeldet, der ihn mit dem Sollwert vergleicht und bei einer Regelabweichung errechnet, welche Korrekturen zur Rçckfçhrung der Regelgræûe auf den Sollwert erforderlich sind. Er gibt entsprechende Befehle aus an die

l

Stellglieder, jene Ausfçhrungsorgane und physiologische Mechanismen, die in der Lage sind, den Istwert zu korrigieren, beispielsweise eine unter den Sollwert gesunkene Kærpertemperatur zu erhæhen (Leber, Muskeln) oder eine Ûbertemperatur auf den Sollwert abzukçhlen (Erweiterung der peripheren Blutkapillaren zur besseren Wårmeabfuhr, Verdunstung von Wasser durch Hecheln oder Schweiûausbruch).

l

Stellgræûe (output variable) ist der vom Regler an die Stellglieder çbermittelte Befehl. Dem stand zu Beginn des Vorgangs die Stærgræûe

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10 Das vegetative Nervensystem

gegençber, welche die Abweichung des Istwerts vom Sollwert verursacht hat. Geht man den einzelnen Bauelementen eines Regelkreises in der Reihenfolge, in der sie tåtig werden, nach, so folgt man einem kreisfærmigen Informationsfluss. Der Fçhler misst eine Abweichung (error) des Istwertes und meldet diesen Wert dem Regler; dieser gibt einen Befehl zur Korrektur aus. Der Erfolg der Korrektur wird erneut gemessen; ein neuer kreisfærmiger Informationsfluss wird gestartet und dies geht so fort, bis der Istwert dem Sollwert angeglichen ist. Ein Regelsystem einfachster Bauart ist ein Halteregler (feedback controller), der automatisch einen einmal eingestellten Sollwert festhålt. Das System reagiert auf eine Abweichung der Regelgræûe mit einer Gegenreaktion. Man spricht von negativer Rçckkoppelung (negative feedback): Eine Abweichung des Istwertes nach Plus wird mit einer Minus-Reaktion der Stellglieder beantwortet und umgekehrt. Es kommt zu einem Wechsel des Vorzeichens. (Eine positive Rçckkoppelung hingegen wçrde zu einer weiteren Abweichung der Regelgræûe vom Sollwert fçhren, bis schlieûlich der Wert gånzlich aus dem Gleis låuft.) 10.1.4 Physiologische Regler sind Servoregler und kænnen neuen Sollwerten folgen Biologische Regler sind durchaus Halteregler, aber nicht nur. Gefçhrt von einer zentralen Fçhrungsgræûe kann der Regler einen neuen Sollwert definieren und dann den neu eingestellten Wert konstant halten. Der einfache Halteregler ist zum Folge- oder Servoregler hochgerçstet. Auch der Thermostat unseres Kærpers ist selbstredend ein Folgeregler. Addiert beispielsweise die Fçhrungsinstanz die Fçhrungsgræûe den Wert ¹+ 2ª zur errechneten Stellgræûe hinzu, wird die Kærpertemperatur von 37 8C auf 39 8C hochgefahren und dann auf diesem Wert festgehalten. Der Fieberthermometer diagnostiziert Fieber. Solange diese Fçhrungsgræûe einflieût, kommt der Regelmechanismus nicht bei 37 8C,

sondern bei 39 8C zur Ruhe. Kçhlt man den fieberheiûen Kærper mit einem nassen Tuch und sinkt die Kærpertemperatur deswegen beispielsweise auf 38 8C ab, meldet der Fçhler +1; der Regler dreht das Vorzeichen auf ±1 (negative Rçckkoppelung); die Fçhrungsgræûe addiert +2; die resultierende Stellgræûe hat den Wert +1; die Kærpertemperatur wird von 38 8C auf 39 8C hochgefahren. Fieber basiert auf einer Sollwertverstellung. Erhæhte Temperatur soll helfen, Infektionen zu bekåmpfen. Will man Fieber senken, nçtzt Abkçhlung nicht viel. Man muss mit Medikamenten in die zentrale Sollwertverstellung eingreifen. Kçnstliche Hypothermie kann der Chirurg einsetzen, um Stoffwechsel und Durchblutung von Organen zu drosseln. Bezeichnenderweise muss er hierzu eine spezielle Narkose durchfçhren, um die zentralen Regler auszuschalten! Mit dem Prinzip der zentralen Fçhrung erweitern wir den Regelkreis zur flexiblen Steuerung. Zentrale Fçhrungs- oder Steuerinstanzen sind im Regelfall Kerngebiete des Hypothalamus im Diencephalon oder im Rhombencephalon = Medulla oblongata. Fçhrungsinstanz und Regler dçrften oft identisch sein. 10.1.5 Regler kænnen in Schwingungen geraten und eine Reglerkatastrophe verursachen Regelkreise haben bisweilen unangenehme Systemeigenschaften, die man ihnen bei bloûer Betrachtung eines Blockschaltbildes nicht ansieht, die sich jedoch bei Kenntnis ihrer Funktion mathematisch beschreiben und ableiten lassen. Eine solche unangenehme Eigenschaft ist ihre Tendenz, instabil zu werden und die Regelgræûe zu Schwingungen zu veranlassen. Solche Schwingungen kænnen sich gegebenenfalls aufschaukeln bis sich das System selbst zerstært (Reglerkatastrophe). Ein Regler hat eine Totzeit (setting time), eine Mindestzeit, die verstreicht, bis die Istwertabweichung registriert ist, der Regler seine Berechnung angestellt hat und die Stellglieder ihre Tåtigkeit

10.1 Regelkreis-Automaten und ihre Kontrolle durch das autonome, vegetative Nervensystem

Abb. 10.3. Schwankender Blutdruck bei Lagewechsel. Zur Untersuchung der Regeleffizienz wird ein Patient auf einem Kipptisch von einer waagrechten in eine (fast) senkrechte Position gebracht. Bei suboptimaler Regelung kommt es zu Schwingungen des Blutdrucks im Minutenbereich. (Nach Keidel, vereinfacht)

Abb. 10.2 a, b. Regelung. Rçckfçhrung einer gestærten Regelgræûe auf den Sollwert. a Gedåmpftes Einschwingen; b sich aufschaukelnde Abweichungen (Reglerkatastrophe) versus optimale Korrektur. n = Steigung, spiegelt die Intensitåt der Gegenreaktion wider

aufgenommen haben. In unserem Beispiel soll die Totzeit eine Sekunde sein und der Regler als Proportional-Integral-Regler (proportional integral derivative controller) funktionieren. Eine Stærgræûe lasse den Istwert plætzlich auf ±1 abstçrzen (Abb. 10.2 a). Der Fçhler registriert das, und zwar eine Sekunde lang, weil wegen der Totzeit erst nach 1 s die Korrekturmechanismen in Gang kommen. Eine volle Sekunde lang treffen im Regler Signale des Wertes ±1 ein; eine volle Sekunde lang gibt er den Befehl +1 aus; eine volle Sekunde lang arbeiten die Stellglieder mit voller Intensitåt. Nach dieser ersten Sekunde misst der Fçhler als

Folge der einsetzenden Korrektur zunehmend geringere Abweichungen, aber es sind immer noch Abweichungen nach unten, die zu Gegenreaktionen fçhren. Das ist ± wegen der Totzeit ± sogar noch der Fall, wenn der Istwert den Sollwert schon erreicht hat. Wegen der Totzeit und ± anscheinend ± wegen der Trågheit des ganzen Systems arbeiten die Stellglieder noch weiter. Der Istwert schwingt çber die Soll-Linie hinaus. Jetzt meldet der Fçhler die neue Abweichung des Istwertes in den Plusbereich. Mit Zeitverzægerung wird nun auch diese Abweichung wieder korrigiert. Das Spiel kann so eine Weile weitergehen, bis die Schwingungen schlieûlich gedåmpft sind und das System zum Stillstand kommt. Eine auf- und abschwingende Regelgræûe ist unbefriedigend; man wird das schleudernde System verbessern wollen. Angenommen, die Totzeit lasse sich aus technischen Grçnden nicht verkçrzen, dann wird man die Arbeitsgeschwindigkeit und Arbeitsintensitåt der Stellglieder erhæhen wollen. Aber genau das kann zur Reglerkatastrophe fçhren (Abb. 10.2 b). In der Tat kommen wir

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10 Das vegetative Nervensystem

mit unserem Fahrzeug ins Schleudern, wenn wir spåt und dann zu heftig das Steuer herumreiûen. Frçhes und sanftes Reagieren wåre das richtige Verhalten. Nicht nur unser persænliches Fehlverhalten, auch mangelhafte Effizienz unserer inneren Regelsysteme und Erkrankungen vielerlei Art kænnen zur Folge haben, dass Sollwerte ins Wanken geraten. Manchem wird morgens schwindlig, wenn er allzu rasch vom Bett aufsteht. Schon mæglich, dass hierfçr Unwille maûgeblich ist, sich dem Tag zu stellen, aber auch mæglich, dass bei årztlicher Untersuchung ein auf- und abschwingender Blutdruck nach Lagewechsel diagnostiziert wird (Abb. 10.3). 10.1.6 Information in physiologischen Regelkreisen wird nerval oder hormonal çbermittelt Bisher identifizierte Rezeptoren, die als Sensoren in Regelkreisen fungieren, sind Sinneszellen. Die Ûbertragung ihrer Messwerte an die regelnden und steuernden Instanzen im Zentralnervensystem geschieht çber neuronale Fasern. Die Befehle der zentralen Instanz kænnen ebenfalls çber neuronale Bahnen ausgegeben werden, aber auch çber hormonale Signale, die çber den Blutkreislauf ihre Empfånger erreichen. Nun mçssten wir also erst die Informationsçbermittlung im Hormon- und Nervensystem besprechen, bevor wir mit dem Thema fortfahren. Wir mçssten die Kapitel 11, 13 und 14 durcharbeiten; doch das wçrde unser jetziges Thema doch arg unterbrechen. Wir wollen deswegen im Folgenden so sehr ins Detail nicht gehen. Es gençgt, wenn wir etwas basales Schulwissen reaktivieren. Bei der neuronalen Informationsçbertragung werden Serien elektrischer Impulse çber Nervenfasern (Axone) geschickt. Am Ende der Faser jedoch wird eine Signalsubstanz, der Neurotransmitter, freigesetzt und die Nachricht chemisch der Folgezelle (der nåchsten Nervenzelle oder, z. B., einer glatten Muskelzelle) çbermittelt. Diese fångt das Signalmolekçl mittels eines molekula-

ren Rezeptors auf, der im Regelfall in ihre Zellmembran eingebaut ist, und spezifisch das Signalmolekçl erkennt und an sich bindet. Bei der hormonalen Informationsçbertragung werden Signalstoffe im Blutkreislauf verteilt. Von den Zielzellen werden sie ebenfalls mittels molekularer Rezeptoren aufgefangen.

10.2 Das autonome, vegetative Nervensystem als Regel- und Steuerzentrale 10.2.1 Das Autonome Nervensystem umfasst auch groûe Teile des ZNS Lehrbçcher, die (aus gutem Grund) alter Tradition folgen, gliedern das ganze Nervensystem in l

Zentralnervensystem ZNS (CNS) mit Gehirn und Rçckenmark (Medulla spinalis)

l

Peripheres Nervensystem PNS.

Dies tun wir auch, folgen aber nicht der Gleichsetzung PNS = (ganzes) autonomes oder vegetatives Nervensystem, und gliedern das PNS nicht nur in zwei (Sympathicus und Parasympathicus), sondern in vier Komponenten. Es sei nochmals betont, dass wesentliche und çbergeordnete Regelzentren zur autonomen Kontrolle vegetativer Funktionen im ZNS liegen, vor allem im Hypothalamus des Zwischenhirns (Diencephalon) und im hinteren Stammhirn, der Medulla oblongata. Diese Regelzentren empfangen aber auch umfangreichen Input von Arealen der Hirnrinde (Cortex), die gemeinhin als Ort hæherer Gehirnfunktionen gilt. Nimmt man die Wortbedeutung ¹autonom = selbsttåtig = nicht unserem Willen unterworfenª ernst, mçsste sogar der weitaus græûte Teil des Cortex als autonomes System klassifiziert werden. Dies wåre auch noch angebracht, wenn man ¹autonomª mit ¹vegetativª gleichsetzt. Beispielsweise sind fçr die Steuerung des Gesamtkreislaufs Neurone in der Medulla oblongata, im Hypothalamus, dem Kleinhirn und der Hirnrinde zuståndig. Zum Mindesten

10.2 Das autonome, vegetative Nervensystem als Regel- und Steuerzentrale

Abb. 10.4. Gliederung des peripheren Nervensystems PNS und seine Herkunft aus ausgewanderten Neuralleistenzellen. Dargestellt ist eine Phase in der Embryonalentwicklung eines (schematisierten) Wirbeltieres, in der die ersten Neuralleistenzellen bereits an ihren Bestimmungsorten angekommen

das Diencephalon und die Medulla oblongata mçssen wir dem autonomen, vegetativen System zurechnen, auch wenn sie unstreitig Teile des ZNS sind. PNS: Als peripheres Nervensystem hat die Anatomie seit alters alles zusammengefasst, was auûerhalb des Schådels und des Rçckenmarkstammes an neuronalen Strukturen zu finden ist, auch wenn es sich bei vielen ¹Nervenª (= nervalen Fasern) bloû um gebçndelte Axone von Neuronen handelt, deren Zellkærper im ZNS liegt (beispielsweise Motoneurone des Rçckenmarks). Es gibt jedoch auch vollgçltige Neurone mit Zellkern auûerhalb des ZNS. Sie sind das PNS im engeren Sinn. Dem PNS ordnen wir (wie dies auch groûe Teile der englischsprachigen Literatur tun) folgende Komponenten zu, die sich entwicklungs-

sind und ihre Fortsåtze auszubilden beginnen. Die gestrichelten, breiten Pfeile zeigen die Wanderrouten der Zellen; die von den Zellen ausgehenden Pfeile die Richtung, in der die Nervenfortsåtze auswachsen. (Nach Mçller u. Hassel: Entwicklungsbiologie, modifiziert)

geschichtlich von Zellen ableiten, die aus den Neuralleisten ausgewandert sind (Abb. 10.4) und alle auch autonom arbeiten. Die Neuralleisten eines Wirbeltierembryos sind lockere Gruppen von Zellen, die nach Abschluss der Neurulation beidseitig des Neuralrohrs, dem kçnftigen Gehirn und Rçckenmark, liegen. Sie wandern auf verschiedenen Routen allçberall im Embryo herum, um sich an verschiedenen Orten niederzulassen und vielfåltige, den neuen Besiedlungsorten angemessene Zelltypen hervorzubringen. Wandernde Neuralleistenzellen bringen auch das gesamte periphere Nervensystem einschlieûlich der peripheren Glia hervor. Welche speziellen Neurone sich letztendlich aus den eingewanderten Zellen differenzieren und welche Transmitter sie bei Stimulation freisetzen, wird definitiv erst am neuen Heimatort festgelegt. Die Vermehrung der Neuronen-Vorlåuferzellen wåhrend des embryonalen Wachstums und das weitere Ûberleben der PNS-Neurone

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10 Das vegetative Nervensystem

hången von Neurotrophinen ab. Dies sind Proteine mit Signalcharakter, welche von den Zielorganen vor und auch nach ihrer Innervierung ausgesandt werden. Vor der Innervierung durch Neurone des PNS lenken die Neurotrophine die auswachsenden Axone der PNS-Neurone in das Zielgebiet. Sind Synapsen zu den Zielzellen ausgebildet, senden diese weiterhin Neurotrophine aus. Diese sichern das Ûberleben der korrekt verschalteten Neurone. l Ein fçr das Sympathische System wichtiges Neurotrophin ist der NGF, der Nerve Growth Factor; l ein fçr das Parasympathische System wichtiges Neurotrophin ist der GDNF, der Glia-Derived Neurotrophic Factor.

10.2.2 Das autonome, vegetative System umfasst auch das ganze periphere Nervensystem PNS I. Peripherer sensorischer Input ins ZNS (Afferenzen) Spinalganglien und Cranialganglien (Abb. 10.4, 10.5 u. 10.6). Sie beherbergen die Zellkærper sensorischer Neurone, die Information von den Fçhlern der Regelkreise çber die dorsalen Wurzeln der Spinalnerven ins ZNS (Rçckenmark) einspeisen. Die Neurone der Spinalganglien haben einen kurzen Fortsatz, der sich in zwei lange Øste aufteilt. Der eine Ast zieht in die Peripherie, um dort selbst als Sensor beispielsweise die ærtliche Temperatur oder den Blutdruck zu messen oder in weiteren Regelkreisfçhlern (z. B. den Muskelspindeln, Kap. 18.2) und den vielen Kleinsinnesorganen der Haut (Kap. 17) als sensorischer Signalempfånger (Dendrit) Information aufzunehmen. Der andere Ast zieht in das Rçckenmark, um dort die peripher abgeholte Information abzuliefern. Die Spinalneurone bilden also afferente Input-Leitungen ins ZNS (Rçckenmark). Einige der çber die Spinalbahnen einlaufenden Informationen kænnen im Gehirn bewusst wahrnehmbare Empfindungen auslæsen: Schmerz, Kålte, Wårme, Druck. Man kann nun haarspalterische Diskussionen fçhren, ob solche Bahnen unter den Begriff ¹autonomes, vegetatives Nervensystemª gestellt werden sollten oder nicht. In aller Regel und mit vollem Recht werden sie (auch) der Sinnesphysiologie zugeordnet. Andererseits: Die Sensoren sind auch

Fçhler in Regelkreisen ± und mit unserem Willen haben wir keinen sehr groûen Einfluss auf Bauchschmerzen und Fieberzustånde. Auch speist die Mehrzahl der Bahnen ihre Information bloû in das Rçckenmark (z. B. die Muskelspindeln) oder in Verarbeitungszentren des Gehirns, deren Aktivitåt im Unbewussten verborgen bleibt. Man sollte Einteilungsprinzipien, die Erfindungen ordnungsliebender Hochschullehrer sind, nicht çberbewerten und bei Begriffsbildungen Schnittmengen zulassen.

II. Peripherer vegetativer Output vom ZNS (vegetative Efferenzen) Sympathicus und Parasympathicus (zur Wortbedeutung s. Kap. 10.4.1). Sind Spinalnerven sensorische Eingånge ins ZNS, welche ihren Weg çber die dorsalen Wurzeln der Spinalnerven nehmen, so sind sympathische und parasympathische Neurone mit der Ausgabe (output) von Information aus dem ZNS in die Peripherie betraut (Abb. 10.7). Beide Systeme, das sympathische und das parasympathische, haben ihren Ursprung im ZNS. Die axonalen Fasern dieser zentralen Neurone verlassen das ZNS als ¹Gehirnnervª gebçndelt (z. B. der Nervus vagus des Parasympathicus) oder sie nehmen ihre Route durch das Rçckenmark und verlassen dieses, wie efferente Output-Fasern allgemein, durch die ventralen Wurzeln der Spinalnerven. Regeltechnisch fçhren die Fasern der Spinalneurone Istwert-Information von Fçhlern den zentralen Reglern zu, die sympathischen und parasympathischen Bahnen leiten Befehle an die Stellglieder. Sowohl das System des Sympathicus wie auch des Parasympathicus umfassen aber auch zahlreiche periphere Neurone. Diese vermitteln zwischen den Zuleitungen vom ZNS und den Zielorganen, deren Funktion geregelt und gesteuert werden soll. Diese peripheren Neurone sind es, die entwicklungsgeschichtlich Abkæmmlinge von den Wanderzellen der Neuralleisten sind. III. Autarkes ENS Das Enterische Nervensystem ENS: Der Magen-Darm-Trakt hat sein eigenes ¹Gehirnª

10.2 Das autonome, vegetative Nervensystem als Regel- und Steuerzentrale

Abb. 10.5. Ein- und Ausgånge des Rçckenmarks. Meldungen von Sinnesorganen einschlieûlich der Sensoren von Regelkreisen werden von Neuronen der Spinalganglien çber die dorsale Wurzel der Spinalnerven ins ZNS eingespeist. Efferente, Befehle ausgebende Fasern verlassen das Rçckenmark durch die ventrale Wurzel. Das sympathische und parasympathische System besteht jeweils aus einer Kette von zwei Neuronen. Das erste, ¹pråganglionåreª Neuron liegt im ZNS; im Bild ist nur die letzte Strecke seines Axons dargestellt. Das zweite, ¹postganglionåreª Neuron liegt auûerhalb des ZNS. Transmitter an

der Zwischensynapse ist sowohl in der sympathischen wie in der parasympathischen Signalkette einheitlich Acetylcholin, an den terminalen Synapsen des Parasympathicus wiederum Acetylcholin, an den terminalen Synapsen des Sympathicus hingegen Noradrenalin. Die Axone der postganglionåren Neurone sind verzweigt und enthalten eine Reihe von Auftreibungen, die Vesikel mit Transmittersubstanzen enthalten und als Synapsen ¹en passantª (¹im Vorbeigehenª) fungieren. Eine Kette solcher perlenartiger Auftreibungen heiût ¹Varikoseª

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10 Das vegetative Nervensystem

Abb. 10.6. Regelung und Steuerung des Kreislaufs und der Atmung. Frequenz und Kontraktionskraft des Herzens und die Weite von Arterien werden moduliert nach Maûgabe von ¹Blutdruckmessernª (Pressorezeptoren), die die Wanddehnung der Aorta und der Halsschlagadern sowie (nicht dar-

gestellt) der Herzvorkammern und der groûen Hohlvenen messen. Die Chemorezeptoren zur Regelung der Atmung finden sich in nåchster Nåhe zu den Pressorezeptoren; weitere finden sich aber auch im Hypothalamus des Zwischenhirns

10.3 Regelkreise fçr Atmung, Kreislauf, Blutdruck

(brain of the gut). Es besteht aus Millionen von Nervenzellen, die in Form zweier netzfærmiger Nervengeflechte in die Wand des Magen-Darm-Traktes (intramural) eingebettet sind. Das eine Geflecht ist der Auerbachsche Plexus (Plexus myentericus), das andere der Meissner-Plexus (Plexus submucosus). Beide sind stark miteinander verwoben. Dem Auerbachschen Plexus myentericus kommt u. a. die Rolle zu, die Peristaltik des Magendarmtrakts und damit den Nahrungstransport zu regeln. In den Meissnerschen Plexus submucosus sind die zahlreichen Chemosensoren integriert; er sendet viele Neurohormone aus (Kap. 4) und er steuert die Sekretion der Drçsen. Im çblichen Lehrbetrieb wird dieses nach dem Gehirn zweitmåchtigste Nervensystem nicht selten schlichtweg çbergangen. Und doch ist es umfangreicher als das ganze Nervensystem der meisten Wirbellosen (Ausnahmen: groûe Tintenfische) und es verleiht dem Magen-Darm-Trakt eine weitgehende Autarkie, in die das ZNS nur fallweise çber sympathische und parasympathische Bahnen modifizierend eingreift. Zwischen ZNS und ENS gibt es aber auch viele stille Zwiegespråche çber hormonale Signale. ¹Stillª meint hier: Die Kommunikation zwischen ZNS und ENS låuft nicht çber unser Bewusstsein.

10.3 Regelkreise fçr Atmung, Kreislauf, Blutdruck Wenn wir beim Jogginglauf und noch eine Weile danach heftig schnaufen und hecheln, unser Herz pocht und pocht, der Blutdruck unsere Adern anschwellen låsst und der Schweiû vom Leibe tropft, tun wir dreierlei: Wir fçhren den Muskeln und der Leber vermehrt O2 zu (der Leber zur ¹Verbrennungª der Milchsåure); wir entsorgen vermehrt gebildetes CO2, und wir fçhren Wårme ab. In solchen Fållen wird die Flexibilitåt und Verschrånkung der Regelkreise evident.

10.3.1 Atmung: Ein zentraler Rhythmusgenerator muss auf erhæhten Kohlendioxidgehalt und verminderten Sauerstoffgehalt des Blutes reagieren Der Rhythmus unserer Atemzçge wird von einem Rhythmusgenerator erzeugt, der in der Medulla oblongata, dem hintersten Abschnitt des evolutionsgeschichtlich alten Stammhirns, tåtig ist (Abb. 10.6). Er gliedert sich in miteinander gekoppelte Inspirations- und Exspirationszentren und gibt Tag und Nacht den basalen Rhythmus vor, dem die Atemmuskeln gehorchen. Der Signalfluss ist jedoch nicht einsinnig. Man stellt sich hier ein Zusammenspiel zwischen Atemmuskulatur und Gehirn vor. Beim Einatmen werden Dehnungsrezeptoren im Brustraum gereizt. Sind sie stark gespannt, læst ihre Rçckmeldung an die Zentrale den Gegenbefehl zum Ausatmen aus. Um diesen Grundrhythmus selbsttåtig in sinnvoller Weise zu modifizieren, braucht die Zentrale weitere Daten von Fçhlern, welche die Beschaffenheit des Blutes registrieren. Fçhler. Die Frequenz und die Tiefe der Atemzçge werden erhæht, wenn Chemosensoren einen erhæhten pCO2, einen erniedrigten pO2 und eine Versauerung (Milchsåure) im Blut registrieren. Entsprechende Chemosensoren sitzen an strategisch wichtigen Positionen (Abb. 10.6). l

Man findet sie an den Halsschlagadern (Carotiden), dort wo sie sich in Carotis interna und Carotis externa gabeln. Es gibt dort Sinneszellen, die den Geschmacksrezeptoren auf der Zunge åhneln. Blutkapillaren fçhren ihnen Proben des arteriellen Blutes, das fçr das Gehirn bestimmt ist, zu.

l

Sie sitzen im Gehirn selbst, wo bestimmte Nervenzellen direkt auf einen erhæhten pCO2 oder sauren pH mit elektrischer Aktivitåt reagieren. Der Ort im Hirnstamm, der diese Sensoren beherbergt, liegt ganz in der Nåhe des Atemzentrums.

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10 Das vegetative Nervensystem

Im Experiment zeigt sich, dass beim Såuger und Menschen der pCO2 des Blutes fçr die Regelung der Atemtåtigkeit die bedeutsamste Regelgræûe ist; vielleicht weil der pO2 durch die Speicherkapazitåt des Håmoglobins besser abgepuffert ist. Der Zoophysiologe weiû zu berichten, dass bei Wassertieren, Krebsen wie Fischen, ebenfalls der pCO2 ± in diesem Fall des umgebenden Wassers ± der einflussreichste Parameter ist, auf den die Atemregulation anspricht. Auûer den genannten Chemorezeptoren schicken auch Dehnungsrezeptoren Signale ins Gehirn. Solche Dehnungsrezeptoren sind sensorische Nervenzellen, deren Reiz-aufnehmende, lange und dçnne dendritische Faser durch mechanischen Zug zur gesteigerten elektrischen Aktivitåt stimuliert wird. Solche Dehnungsrezeptoren messen laufend den Dehnungszustand der Luftræhre und der Bronchien. Stellglieder sind natçrlich die Atemmuskeln, aber auch die glatten Muskeln der Luftræhre (Trachea) und der Bronchien; denn wenn Atemtiefe und Atemfrequenz erhæht werden, ist es sinnvoll, auch die Luftræhren zu weiten, um fçr die Atemluft den Stræmungswiderstand herabzusetzen. Bei Asthma bronchiale ist diese Reaktion gestært. Regelzentrum. Als solches wird der Rhythmusgenerator selbst angesehen, der freilich mit dem Kreislaufzentrum gekoppelt ist.

10.3.2 Kreislauf: Nicht nur der Arzt und Hochdruckpatient besitzen Blutdruckmesser Was wird geregelt? Wichtige Regelgræûen sind l

der Fçllungszustand des Herzens und der herznahen Blutgefåûe, und damit indirekt auch das zur Verfçgung stehende Blutvolumen. Der Fçllungszustand und das Blutvolumen werden mit Dehnungsrezeptoren gemessen, die in die Wand des Vorhofs und des Ventrikels und ebenso in die Wand der herznahen groûen Venen eingebaut sind;

l

der arterielle Blutdruck. Er wird wiederum mit Dehnungsrezeptoren gemessen, die in diesem Fall als Pressorezeptoren oder Barorezeptoren bezeichnet werden. Man findet sie in der Wandung des Aortenbogens und der groûen Lungenarterie. Weitere finden sich in den Halsschlagadern ganz in der Nåhe der pCO2-, pO2- und pH-Rezeptoren (Abb. 10.6). Bei erhæhtem statischen Blutdruck werden die Wånde dieser Gefåûe stårker gedehnt und mit den Wånden der Gefåûe auch die in die Wånde eingebetteten Reiz-aufnehmenden Fasern der Dehnungsrezeptoren.

Auûer den genannten Blutdruckrezeptoren gibt es vermutlich noch viele weitere, die eher lokale Bedeutung haben, wie die barorezeptiven Endothelzellen, die als Ventil den Blutzustrom zu den Nierenglomeruli regeln (s. Kap. 6, Abb. 6.16). Damit sei angedeutet, dass Blutdruckregelung lokal und global geschehen kann. Globale Druckregulation. Fçr die globale Einstellung des arteriellen Blutdrucks sind als Stellglieder das Herz und die kontraktilen Arterien zuståndig. Das Herz kann seine Kontraktionskraft und seine Schlagfrequenz veråndern. Die Arterien kænnen sich zusammenziehen und Druck aufs inkompressible Blut ausçben. Damit erhæhen sie freilich auch den Gefåûwiderstand. So ist denn auch der variable Gefåûwiderstand nicht nur ein Mittel, den globalen Druck zu regeln; vielmehr werden mittels lokaler Konstriktionen die Blutstræme dirigiert. Herz und Arterien handeln freilich nicht autonom. Herzschrittmacher und die Muskeln von Herz und Arterien mçssen ¹sympathischª oder ¹parasympathischª dirigiert werden. Was diese seltsamen Begriffe bedeuten, erfahren wir gleich. Lokale Regelung des Blutdrucks und des Blutflusses. Der Organismus kann den Blutstrom je nach den momentanen Erfordernissen mal hierhin mal dorthin dirigieren. Hier werden Arteriolen geweitet, dort werden welche verengt. Maûgebend kænnen lokale Faktoren sein: lokale Un-

10.4 Neurovegetative Steuerung durch Sympathicus und Parasympathicus

terkçhlung, eine lokale Verletzung, ein lokaler Entzçndungsherd zum Beispiel. Fçr das Úffnen und Schlieûen der Gefåûe in begrenzten Provinzen sind oft Gewebshormone zuståndig, wie sie beispielsweise in Entzçndungsherden erzeugt werden. Es zåhlen hierzu eine Reihe von bioaktiven Peptiden (z. B. Bradykinin) und eine Reihe von oxidierten Lipiden, die sich von der mehrfach ungesåttigten, 20 Kohlenstoffatome enthaltenden Fettsåure Arachidonsåure ableiten (bestimmte Prostaglandine, Leukotriene und Hydroxyfettsåuren). Nicht nur kleinråumige Provinzbezirke, auch ganze Organe und Organsysteme kænnen verstårkt oder vermindert mit Blut versorgt werden. Das muss nach einem Funktionsplan geschehen, der die momentan erforderliche Versorgung der Organe mit Energie und Sauerstoff und ihre Entsorgung von Kohlendioxid und anderen Stoffwechselendprodukten berçcksichtigt. Wer entwirft diesen Plan? 10.3.3 Alarm im Brustkorb: Das mit Sauerstoff unterversorgte Herz læst Angina pectoris aus Ist die Sauerstoffversorgung des Herzens unzureichend (man nennt das Ischåmie), weil beispielsweise die Herzkranzgefåûe verengt sind, andererseits das Herz besonders anstrengend arbeiten muss, sendet es Substanzen (unbekannter Art) aus, die zur Verkrampfung von Muskeln im Brustraum fçhren (lat.: angina pectoris = Enge des Brustraums) und oft auch Schmerzfasern aktivieren. Der zu Recht geångstigte Patient wird sich Ruhe gænnen mçssen. Es ist unter Pathophysiologen jedoch umstritten, ob ein Anginaanfall als Schutzreflex gedeutet werden kann; denn nicht jede Ischåmie fçhrt zu einem warnenden, schmerzhaften Anfall; es gibt auch eine ¹stumme Ischåmieª.

10.4 Neurovegetative Steuerung durch Sympathicus und Parasympathicus 10.4.1 ¹Sympathicusª und ¹Parasympathicusª haben wenig mit unserer Gefçhlswelt zu tun, sondern bezeichnen zwei Subsysteme des Nervensystems Wir sind beim vegetativen Nervensystem, dem die Steuerung der inneren Organfunktionen obliegt, das also in der Lage ist, Regelkreise zu çberspielen und Regelgræûen gezielt zu variieren. Das vegetative Nervensystem umfasst Bereiche im Zentralnervensystem, die dem Zwischenhirn und dem Gehirnstamm zugeordnet werden, und es umfasst viele Nervenbahnen, die çberall im Kærper herumziehen, durch mancherlei Ganglien (Ansammlungen von Nervenzellen) vernetzt sind und bei den ¹vegetativen Organenª enden. Schon Ørzte und Schamanen des Altertums hatten erkannt, dass es Krankheiten gibt, bei denen viele Kærperfunktionen gleichzeitig in Mitleidenschaft gezogen sind. Das griechische Wort sympathein heiût mitleiden, miteinander leiden, Mitleid haben. Wenn das vegetative Nervensystem erkrankt ist, dann leiden viele Organe. Das sympathische System ist das eine Subsystem des vegetativen, autonomen Nervensystems, das parasympatische System (para = neben, neben dem sympathischen System existierend) das andere. Ûbergeordnetes Integrationszentrum fçr beide Subsysteme ist der Hypothalamus im Zwischenhirn. 10.4.2 Anatomie und Transmitter der sympathischen und parasympathischen Subsysteme Obwohl es bei Regelkreisen und ihrer Vermaschung immer auch darum geht, Information von Fçhlern, also von Sinnesorganen, ins System einzuspeisen, hat die medizinische Tradition diesen Aspekt vernachlåssigt. Wahrscheinlich, weil Endorezeptoren winzig und schwer zu identifizieren sind. Mit bloûem Auge sind sie nicht zu er-

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10 Das vegetative Nervensystem

kennen. Mit den sympathischen und parasympathischen Leitungen betrachtet man lediglich die zu den Effektoren ziehenden efferenten (herausfçhrenden) oder motorischen Ausgånge aus dem Zentralnervensystem. Im Sinne der Regelungstechnik sind dies also die Leitungen zu den Stellgliedern. Fçr das sympathische wie fçr das parasympathische System ist kennzeichnend, dass es zwischen den Ausgången der Leitungsbahnen im Gehirn oder Rçckenmark und den Enden der Leitungsbahnen an den Organen jeweils eine Umschaltstelle gibt, wo ein pråganglionåres, d. h. vor dieser Umschaltstelle lokalisiertes, Neuron seine Meldung an postganglionåre Neurone weitergibt.

diesen Umschaltstationen werden die Signale an viele nachgeschaltete Neurone weitergegeben; auf ein pråganglionåres Neuron kommen ca. 20 postganglionåre. Beim parasympathischen System verlassen die pråganglionåren Fasern das Zentralnervensystem durch so genannte Gehirnnerven oder çber die ventralen Wurzeln der Spinalnerven in der Kreuzbein-(Sakral-)region. Von den zuståndigen Gehirnnerven ist der Nervus vagus, der herumvagabundierende Nerv, der auffålligste. Er fasert sich vielfach auf und betreut besonders viele Organe (Abb. 10.7). Die postganglionåren Neurone des Parasympathicus haben ihren Wohnsitz nahe oder in den Organen, denen sie ihre Befehle çbergeben mçssen. l

Als Transmitter wird zwischen prå- und postganglionåren Neuronen sowohl im sympathischen wie im parasympathischen System einheitlich Acetylcholin (ACH) benutzt, das von den nachgeschalteten Neuronen mittels so genannter nikotinischer ACH-Rezeptoren (Kap. 15.4) aufgefangen wird. Hingegen setzt an den Synapsen am Ende der postganglionåren Leitungsstrecke das sympathische System ± sieht man von Ausnahmen (Schweiûdrçsen) ab ± Noradrenalin, das parasympathische System wiederum Acetylcholin frei, das nun aber an so genannte muscarinische ACH-Rezeptoren (Kap. 15.4) des nachgeordneten Neurons bindet.

l

Bei starker und långerer Beanspruchung des Sympathicus wird an den terminalen Synapsen durch Exocytose auûer Noradrenalin zusåtzlich NPY, Neuropeptide Y, freigesetzt. Es fçhrt zu långer anhaltenden Kontraktionen von Blutgefåûen und damit zur Erhæhung des Blutdrucks.

l

Bei starker Aktivierung des Parasympathicus wird zusåtzlich zum Acetylcholin das Neuropeptid VIP, Vasoactive Intestinal Polypeptide, freigesetzt. Dieses ¹neuromodulatorischeª Peptid verstårkt in noch nicht bekannter Weise die ACH-Wirkung.

Der Ausdruck ¹postganglionårª ist insofern irrefçhrend, als im sympathischen System diese Neurone nicht ¹postª (nach, hinter), sondern inmitten von Ganglien (= lokalen Ansammlungen von Neuronen) liegen. Im parasympathischen System sind die ¹postganglionårenª Neurone weder Ganglien nachgeschaltet, noch sind sie wie im sympathischen System zu Ganglien zusammengeschart, sondern sind in die Zielorgane eingebettet.

Zwischen ZNS und dem Zielorgan vermittelt jeweils eine Kette von zwei Neuronen. Das pråganglionåre Neuron hat seinen Wohnsitz im Zentralnervensystem; das heiût, der zentrale Zellkærper mit dem Zellkern liegt im Hirnstamm oder im Rçckenmark. Nur sein Axon (fortleitende Faser) schickt das pråganglionåre Neuron in die Peripherie. Das die Botschaft çbernehmende postganglionåre Neuron befindet sich auf jeden Fall drauûen. Beim sympathischen System verlassen die pråganglionåren Fasern das Rçckenmark in den ventralen Wurzeln der Spinalganglien im Bereich von Brust, Kreuz und Lenden. Die postganglionåren Neurone der Brustregion haben ihren Wohnsitz in den Ganglien der sympathischen Grenzstrånge, die links und rechts die Wirbelsåule begleiten (Abb. 10.4, 10.5 u. 10.7). Im Unterleib befinden sich die Umschaltstationen in Ganglien, die zwischen den Eingeweiden liegen, beispielsweise im Ganglion coeliacum (Abb. 10.7). In all

10.4 Neurovegetative Steuerung durch Sympathicus und Parasympathicus

Abb. 10.7. Efferente, Steuerungsbefehle ausgebende Leitungen des vegetativen Nervensystems

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10 Das vegetative Nervensystem

Eine weitere, anatomische Besonderheit vieler terminaler Synapsen im vegetativen Nervensystem verdient Erwåhnung. Da oftmals gleichzeitig viele Zielzellen, beispielsweise die vielen ¹glattenª Muskelzellen der Bronchien, der Lungenflçgel, des Darmes und der Harnblase beeinflusst werden sollen, verzweigen sich die Befehle erteilenden Enden der Axone in zahlreiche Østchen. Entlang dieser Østchen sind perlenartig mehrere ACH-freisetzende Synapsen aufgereiht (zwei Beispiele sind in Abb. 16.8 zu sehen). Die Anatomen des 19. Jahrhunderts nannten diese perlschnurartig aufgereihten Serien von Synapsen ¹Varikositåtenª, und so heiûen sie in der medizinischen Literatur heute noch.

Die angesteuerten Organe werden also entweder mittels Noradrenalin oder mittels Acetylcholin zu diesem oder jenem Verhalten aufgefordert. In den adrenergen Synapsen werden zum Empfang von Noradrenalin verschiedene molekulare Rezeptoren eingesetzt (a1, a2, b1, b2), die sich in ihren pharmakologischen Eigenschaften unterscheiden. Der Arzt, der Medikamente gegen Bluthochdruck verschreibt, sollte çber diese Unterschiede Bescheid wissen.

10.4.3 Leistungsbereitschaft und Stress oder sattes Ruhebedçrfnis Will man sich die vielfåltigen Wirkungsweisen des sympathischen und parasympathischen Systems çberschaubar und merkfåhig vor Augen halten, beobachte man eine Katze in verschiedenen Situationen (Abb. 10.7): Szene 1a: Sympathische Dominanz. Die Katze lauert gespannt vor dem Mauseloch; vielleicht hat sie schon die Nasenspitze der Maus im Blick. l

Die Augen sind aufgerissen, die Pupillen geweitet.

l

Die Muskeln sind angespannt.

l

Der Atem ist schon leicht beschleunigt.

l

Auch das Herz schlågt schon schneller.

l

Das Nebennierenmark spritzt das Stresshormon Adrenalin ins Blut.

l

Luftræhre und Bronchien weiten sich.

l

Blut stræmt bevorzugt Richtung Gehirn, Lunge und Muskeln.

l

Der Magen-Darm-Bereich hingegen wird nur noch spårlich mit Blut versorgt; die Funktionen dieser Organe werden zurçckgefahren; die Peristaltik ist reduziert; Salzsåure und Enzyme werden nur noch spårlich sezerniert.

Szene 1b: ¹Fight and Flight-Syndromª. Mçllers Kater erblickt seinen Todfeind, Schulzens Hund: l

Die Nebenniere jagt eine besonders kråftige Dosis Adrenalin, vermischt mit Noradrenalin, ins Blut.

l

Alle zuvor genannten Symptome sind gesteigert.

l

Die Haare stråuben sich.

l

Nun rast der Kater los, und hinauf auf den Baum: sein Herz pocht rasend, der Atem geht rasch und fauchend.

Szene 2: Parasympathische Dominanz: ¹Rest and digestª oder ¹Ein voller Bauch studiert nicht gernª. Unsere Katze hat die Maus in ihrem Bauch in Sicherheit gebracht und gibt sich gençsslich der Verdauung hin. l

Die Katze hat sich hingelegt, macht einen trågen Eindruck.

l

Die Augen sind halb oder auch ganz geschlossen.

l

Die Muskeln sind entspannt; sie hat die Beine halb von sich gestreckt; låsst die Beine, auf der Mauer dæsend, auch mal nach unten baumeln (Abb. 10.7).

l

Der Atem geht ruhig; seine Frequenz ist tief. Ruhig pocht auch das Herz.

l

Hingegen ist nun im Magen-Darm-Trakt volles Leben. Dorthin werden die Blutstræme geleitet.

10.4 Neurovegetative Steuerung durch Sympathicus und Parasympathicus

10.4.4 Eine duale Innervation steuert antagonistische Reaktionen Der Physiologe gibt ergånzende Erlåuterungen. Die meisten inneren Organe sind dual innerviert, sympathisch und parasympathisch. In aller Regel erteilen die beiden Systeme antagonistische Befehle; nur in Einzelfållen, so an den Speicheldrçsen, wirken beide Systeme synergistisch. l

l

Ergotrope, auf wache Leistungsbereitschaft trimmende Reaktionen (ergon = Arbeit; tropein = steuern) werden çber sympathische Fasern aktiviert; sie çbermitteln an den Endsynapsen ihre Signale mittels Noradrenalin. Trophotrope (trophein = ernåhren) Reaktionen werden vom Parasympathicus beherrscht. Er çbertrågt seine Botschaft mittels Acetylcholin.

Beispielsweise regen sympathische Fasern mittels Noradrenalin den Herzschrittmacher (Sinusknoten) an, seinen ± im Prinzip autonomen ± Taktrhythmus zu beschleunigen; parasympathische Fasern sagen ihm mittels Acetylcholin, dass er sich beruhigen kann. Auch Blutgefåûe sind innerviert, vor allem die kleineren Arterien und die Arteriolen, meistens aber nur sympathisch. Das Nachlassen der adrenergen Stimulation gençgt hier, die Gegenreaktion auszulæsen. Welche Reaktionen, welche Gegenreaktionen? Das kommt darauf an, und zwar darauf, wohin die Blutstræme flieûen sollen. Ist kærperliche Leistung gefordert, mçssen die Muskeln gut versorgt werden. Will man sich auf die Verdauung konzentrieren, mçssen die Organe des Verdauungstraktes mit begleitenden Organen vermehrt durchblutet werden. Entsprechend reagieren Blutgefåûe lokal unterschiedlich. Die glatten Muskelzellen, die sie umhçllen, kænnen mit verschiedenen Rezeptoren ausgestattet sein und entsprechend unterschiedlich reagieren (Abb. 10.8). Es gilt nun die Faustregel: l

Noradrenalin wirkt auf a1-Rezeptoren und bewirkt Kontraktion dieser Gefåûe. Beispiel: Blutgefåûe der Haut. Eine Stress-Situation

Abb. 10.8. Blutflussregelung. Gegensåtzliche Reaktionen von arteriellen Gefåûen der Haut und des Herzens auf sympathische Stimulation. Wåhrend Gefåûe der Haut sich kontrahieren, erweitern sich Herzkranzgefåûe. Die eingekreisten Rezeptortypen gehæren zu den glatten Muskelzellen (rot), welche die Kontraktion der Gefåûe bewerkstelligen

macht die Wangen blass (oder çberschieûend rot). l

Adrenalin wirkt auf b 2-Rezeptoren und bewirkt die Erweiterung jener Gefåûe, die solche Rezeptoren besitzen. Das sind beispielsweise die Herzkranzgefåûe, die den Herzmuskel mit Treibstoff und Sauerstoff versorgen.

Woher kommt Adrenalin? An manchen Synapsen setzen sympathische Fasern diese Variante des Transmitters ein (Strukturformel s. Abb. 15.4). Mit græûerer Wahrscheinlichkeit kommt diese Signalsubstanz als Hormon çber den Kreislauf in die Arteriolen. 10.4.5 Das sympathische System wird unterstçtzt durch hormonelle Signale Bei der Einstellung des Kærpers auf wache Bereitschaft und, wenn's Not tut, auf Abwehr und Kampf wird das sympathische System unterstçtzt durch ein hormonelles Signal, durch das Alarmhormon Adrenalin, das vom Nebennierenmark ins Blut gespritzt wird, vermischt mit einer kleinen Menge Noradrenalin.

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10 Das vegetative Nervensystem

10.5 Thermoregulation

Adrenalin l

fordert die Leber auf, vermehrt Blutzucker (Glucose) freizugeben, damit er im Kreislauf verteilt werden kann;

l

unterstçtzt die Umlenkung der Blutflçsse;

l

nimmt Einfluss auf die Nebennierenrinde, einem zweiten hormonbildenden Gewebe, das den Produktionsort des Adrenalins, das Nebennierenmark, umhçllt. Die Rinde setzt bei wiederholter Reizung durch Adrenalin Hormone frei, die bei Langzeitstress zusåtzliche Steuerfunktionen çbernehmen und langfristige Umstellungen im Kærper bewirken: Cortisol und Cortison. Wir kommen nicht mehr umhin, uns mit dem Hormonsystem zu befassen. Obwohl es auch hier um Steuerung vegetativer Funktionen geht, widmen wir dem Hormonsystem der Ûbersichtlichkeit willen ein eigenes Kapitel (s. Kap. 11). 10.4.6 Asthma bronchiale: der Parasympathicus dominiert hæchst unangenehm

Asthma bronchiale ist ± åhnlich der Angina pectoris ± eine in Anfållen auftretende, krampfhafte Verengung der Atemwege, begleitet von Gefçhlen der Beklemmung und verursacht durch eine starke Kontraktion der die Bronchien umhçllenden Muskulatur. Verschlimmert wird die Atemnot durch abgesondertes viskoses Sekret, das den Luftkanal weiter verengt. Bronchialasthma wird ausgelæst durch besondere Anstrengung oder durch allerlei åuûere Auslæser wie Zigarettenqualm oder Allergene. Vermittelt werden die auslæsenden Reize durch parasympathische nervale Bahnen. Der Arzt verschreibt adrenalinåhnlich wirkende Substanzen (b-Sympathomimetica), welche çber b2-Rezeptoren eine Dilatation der Luftræhre bewirken.

10.5.1 Der Zoologe kennt Poikilotherme und Homoiotherme, Ektotherme und Endotherme Jetzt ist der Absolvent des humanistischen Gymnasiums im Vorteil, sofern er seine GriechischVokabeln noch im Kopf hat. Die Wortteile bedeuten: l

thermos = warm,

l

ekto = auûen und endo = innen,

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poikilos = variabel,

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homoios = gleichfærmig oder iso = gleich,

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eurys = breit,

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stenos = eng, schmal.

Poikilotherme Tiere passen ihre variable Kærpertemperatur der Auûentemperatur an, sie sind thermokonform. Entsprechend ist ihre Kærpertemperatur im Regelfall wechselnd. Wirbellose, Fische, Amphibien, Reptilien werden als poikilotherme oder auch ektotherme Tiere klassifiziert. ¹Kaltblçtigª mçssen solche Tiere aber nicht immer sein, auch wenn sich Frosch und Fisch selten warm anfçhlen. Andererseits kænnen Heuschrecke und Reptil in der Mittagshitze wårmer werden als manch ¹warmblçtigesª Tier. Hohe Kærpertemperaturen setzen beim Poikilothermen allerdings hohe Umgebungstemperaturen voraus. Sie sind ektotherm, nehmen Wårme von auûen auf. Da Ektothermie solcher Organismen ein Jahrmillionen altes Erbe ist, vertragen viele Ektotherme weit græûere Temperaturdifferenzen als wir; sie sind nicht nur ekto- und poikilo-, sondern auch eurytherm. Homoiotherme (isotherme) Tiere haben gleichfærmige Kærpertemperaturen. Sie sind im Regelfall endotherm, erzeugen ihre Kærperwårme selbst. Vægel und Såuger sind als endotherme Homoiotherme zu nennen. Andererseits ist ihre Temperaturtoleranz in der Regel gering; sie sind vergleichsweise stenotherm.

10.5 Thermoregulation

Warum aber gibt es zwei Begriffspaare: poikilotherm versus homoiotherm; endotherm versus ektotherm? Nun, manch ektothermes Lebewesen, das nur wenig Wårme produziert und sich der Umgebung anpasst, hat trotzdem eine gleichmåûige Kærpertemperatur, schlichtweg weil seine Umwelt temperaturkonstant ist. Tiefseefische sind ein Beispiel. Andererseits kann manches Lebewesen betråchtliche eigene Kærperwårme erzeugen, ohne freilich dauerhaft eine bestimmte Temperatur einzustellen. Thunfische und Haie haben Kærpertemperaturen, die dauernd çber der Temperatur des Meerwassers liegen, ohne freilich konstant zu sein. Bienen im Stock zur Winterszeit als weiteres Beispiel, wenn sie zu Ballen zusammenrçcken und mit ihren auf Leerlauf gestellten Flugmotoren gemeinsam Wårme produzieren. Sie mçssten dann endotherme Poikilotherme genannt werden. So ist es halt mit unseren klassifizierenden Begriffen. Die Natur erlaubt sich die Freiheit, sich nicht in schematische Begriffssysteme zwången zu lassen. Zu welchem Nutzen hat sich wohl in der Evolution der Vægeln und Såuger Endothermie entwickelt? Plausible Antworten liegen auf der Hand: Endothermie ermæglicht auûerhalb der inneren Tropen Aktivitåt schon in den frçhen Morgenstunden, in der kçhlen Nacht ± viele, besonders kleine Såugetiere sind nachtaktiv ±, und gar in der Winterszeit. Sie kostet andererseits viel Energie und war nur durchfçhrbar als subkutanes Fettgewebe, Federkleid und Fell eine ausreichende Isolierung ermæglichten. 10.5.2 Im Regelkreis der homoiothermen Såuger und des Menschen wird die Kerntemperatur kontrolliert; das Regelzentrum sitzt im Hypothalamus Gespeist von einem Grundumsatz, der 80 bis 90 Watt entspricht (s. Kap. 2), erzeugen wir auch in Ruhe dauernd Wårme. Dieser Produktion steht ein dauernder Wårmeverlust entgegen, sogar wenn man in der Sauna sitzt oder sich in der Sonne mit bis zu 800 Watt grillen låsst; denn eine gewisse

Menge Wårme geben wir çber Strahlung unabhångig von der Umgebungstemperatur ab. Allerdings verlieren wir çblicherweise mehr Wårme durch direkten Transfer thermokinetischer Energie von der Haut an die kçhlere Luft. Bei der Wårmeleitfåhigkeit unseres Kærpers ist in Ruhe ein Gleichgewicht zwischen Wårmeerzeugung und Wårmeabgabe bei ca. 28 8C Auûentemperatur erreicht. Ist das Gleichgewicht gestært, regeln wir und fçhren vermehrt Wårme ab oder produzieren welche. Fçr Vægel und Såuger einschlieûlich des Menschen gilt, dass lediglich ihre Kerntemperatur gleichfærmig warm gehalten wird. Kern bedeutet: Gehirn, Brustraum, Bauchraum. Der Rest ist ¹Schaleª und muss in gewissem Grad eine Abkçhlung ertragen. Sucht man nach den Fçhlern, muss man daher auch an Sensoren im Kærperkern denken. Im Tierversuch wurden temperatursensitive Nervenzellen im vorderen Hypothalamus (Regio praeoptica) und im Rçckenmark ausgemacht. Darçber hinaus wird aber auch die Meldung der Thermorezeptoren der Haut (Wårmezufuhrund Wårmeentzugs-Rezeptoren, s. Kap. 17) berçcksichtigt. Das Regelzentrum ist in Neuronenverbånden des Hypothalamus zu suchen. Den Stellgliedern widmen wir eigene Abschnitte. Der Physiologe medizinischer Institute hat neben Kern- und Schalen-Temperatur weitere Begriffe im Gebrauch. Nett von ihm, dass er die Indifferenztemperatur definiert als Temperatur von 27±31 8C, bei der man sich auch nackt wohl fçhlt. 10.5.3 Stellglieder fçrs Kçhlen Kçhlen kann Not tun. Steigt die Kerntemperatur auf l

39±40 8C drohen Hitzekollaps (Schwåche, Schwindel, Mçdigkeit) und Hitzschlag mit Desorientiertheit, Kråmpfen, Bewusstlosigkeit;

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41,9 8C hålt kurzfristig der trainierte Marathonlåufer aus;

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43 8C bringen auch ihn um.

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10 Das vegetative Nervensystem

Wir erinnern uns: Wårme ist die Summe der kinetischen Energie beweglicher Molekçle, und Temperatur ist ein Maû fçr deren mittlere kinetische Energie (s. Kap. 1). Wir verlieren Wårme 1. durch elektromagnetische Temperaturstrahlung. Lebewesen erzeugen Infrarot-Strahlung und die trågt Energie, die sich aus der kinetischen Energie von Molekçlen ableitet, in die Umwelt. Der erwachsene Mensch gibt in Ruhe, bei einer Lufttemperatur von 20±25 8C, geringer Windgeschwindigkeit und geringer relativer Luftfeuchtigkeit 50±60% seiner gesamten Wårmeproduktion çber Infrarotstrahlung an die Umgebung ab. Dies entspricht einer unablåssigen Energieabgabe von etwa 10,8 Watt (5,4 W/m2). Andererseits absorbieren Lebewesen Strahlungsenergie, die auf sie trifft. Auch elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlångenbereich, also sichtbares Licht, kann indirekt zur Erwårmung beitragen. Eine schwarze Haut, schwarze Haare und Federn absorbieren viel Strahlung, die sich in kinetische Energie von Molekçlen, also in Wårme, verwandelt. Weiû und helle Farben hingegen reflektieren Licht. Ein zoologisches Glanzlicht: Eisbåren sind nicht nur weiû zur Tarnung. Die weiû erscheinenden Haare des Eisbårenfells sind innen hohl und wirken als Lichtleiter. Sie lenken sichtbares Licht auf die schwarze Haut des Båren, die sich so erwårmt; 2. durch Wårmeleitung (Wårmediffusion), das heiût thermokinetische Wårmeçbergabe von der Haut an die Luft. Brown'sche molekulare kinetische Energie wird von der Grenzschicht der Haut auf Luftmolekçle çbertragen. Das Ausmaû der Wårmeçbertragung ist analog zur Diffusion eine Funktion des Temperaturgefålles und der Austauschflåche. Luftbewegung færdert den Abtransport in die Umwelt; die Temperaturdifferenz zwischen Haut und Luft bleibt dann erhalten. Hier kann das Tier durch Stråuben von Haaren oder Federn steuernd eingreifen. Ein stilles Luftpolster behindert

die Wårmeabfuhr. Im kalten Winter plustert der Vogel sein Gefieder auf, das Reh stråubt seine Haare. Zuvor im Herbst hatten beide sich ein volumenreiches Winterkleid zugelegt. Im Frçhjahr legt man sich wieder ein dçnneres Sommerkleid zu. Wir ahmen dieses Verfahren mit unserer Kleidung nach; 3. durch innere Wårmekonvektion. Um Wårme erst einmal von der arbeitenden Muskulatur und den inneren Organen an die Haut zu færdern, kann die Blutzufuhr zur Haut geregelt werden. Eine geringe Erweiterung der Gefåûe zur Haut und in der Haut erhæht gewaltig das Blutstromvolumen (s. Kap. 9) und damit auch den Wårmetransport; 4. durch Wårmeentzug durch Verdunstung (Schwitzen, Hecheln). Beim Ûbergang von der flçssigen in die Gasphase nehmen Wassermolekçle Wårme von der Umgebung auf und erhæhen auf deren Kosten ihre Entropie. Ein Liter H2O entzieht beim Verdunsten der Umwelt 2400 kJ. Der Grad der Verdunstung ist weniger eine Funktion der Temperaturdifferenz, sondern des Unterschiedes im Partialdruck pH2O. Bei feuchter, schwçler Luft funktioniert das Prinzip entsprechend schlecht. Nur Schweiû, der verdunstet, kçhlt, nicht Schweiû, der von der Stirn perlt. Der Wårmeentzug durch Verdunstung kann uns bis zu 500 ml/h Wasser kosten. In der Sauna, beim Sport (Training) und bei viel kærperlicher Arbeit in der Mittagshitze kann sich die maximale Schweiûmenge auf 4 l/h steigern. Die Wårmeabfuhr kann beim Schwitzen in trockener Luft 165 Watt betragen und ist dann gegençber dem Ruheverlust um das 15 fache gesteigert. Fçr die Produktion eines gençgend hohen Wasserdampfdrucks çber der Haut stehen > 1 Million Schweiûdrçsen bereit. Da man mit dem Schweiû nicht nur Wasser, sondern auch Elektrolyte verliert (Na+, Cl±, Ca++, Mg++), enthålt der Spezialdrink des Dauerleistungssportlers zum Ausgleich auch Elektrolyte und Spurenelemente. Schweiûdrçsen haben viele Såugetiere, aber nicht alle. Sie fehlen dem Kaninchen und den Na-

10.5 Thermoregulation

gern; beim Hund sind sie wenig leistungsfåhig. Der Hund hechelt. Wir kænnen das auch. Beim Atmen verlieren wir schon im Regelfall 1/2 Liter H2O/Tag. Beschleunigtes Atmen kçhlt. Beim Berg- und Treppensteigen fçhren wir keuchend neben mehr CO2 auch mehr Wårme ab. 10.5.4 Eine Gegenstrom-Wårmeaustausch-Technik fçhrt çberschçssige Wårme ab, oder spart Energie und verhindert das Erfrieren des Vogelbeins Blut, das in die Extremitåten mit ihren relativ groûen Oberflåchen geleitet wird, kann gut Wårme aus dem Kærperkern abfçhren. Das ist im heiûen Sommer erwçnscht, nicht im kalten Winter. Im Kapitel 9 (Kreislauf) haben wir Begleitarterien kennengelernt: Arterien und Venen liegen parallel aneinander; die Richtung des Blutstroms in Arterie und Vene ist indes entgegengesetzt (s. Abb. 9.7). Im Kapitel 6 (Niere) haben wir das Prinzip des Gegenstrom-Austauschers erlåutert. Jetzt bringen wir beides zusammen, um den Wårmeverlust in den Extremitåten zu reduzieren. Das funktioniert in unseren Armen und Beinen: Venen çbernehmen einen Teil der Wårme, die von den Arterien in die Peripherie getragen wird, und tragen sie in den Kærperkern zurçck. Hand und Fuû frieren, aber das Herz im Kærperkern bleibt warm. Viele Tiere nutzen dieses Prinzip effektiver. Wasservægel wie z. B. Enten und Gånse (Abb. 10.9) strecken ihre Beine beim Schwimmen ins eiskalte Wasser oder stehen gar, unbesorgt schlafend, mit bloûen Fçûen auf blankem Eis. Wie verhindern sie zu groûen Wårmeverlust und das Einfrieren der Beine? Das Gegenstrom-System gibt die Erklårung. Ûber die venæse Rçckfçhrung der Wårme werden die Beine ¹absichtlichª und zweckdienlich kçhl gehalten, damit die Temperaturdifferenz zwischen dçnnem Bein und Umgebung gering ist und wenig Wårme verloren geht. Andererseits muss der Blutdurchfluss ausreichend sein, um das Eingefrieren des Beins zu verhindern: ein offensichtlich gut gemeistertes Problem der Regelungstechnik.

Abb. 10.9. Gegenstrom-Wårmeaustausch-System zwischen Arterie und rçckfçhrenden Venen in den Beinen einer auf Eis stehenden Gans

10.5.5 Stellglieder fçrs Heizen: Wie man mehr Wårme produziert Der erwachsene Mensch produziert in Ruhe laufend Wårme im Ausmaû von 80 bis 90 Watt. Reicht das bei kçhler Umgebungstemperatur nicht aus, wird die Blutzufuhr zur Haut im Allgemeinen und in die Extremitåten im Besonderen gedrosselt, um den konvektiven Wårmetransport zu reduzieren. Die Haut wird blass; Hånde und Fçûe leiden und verlangen Schutz gegen weiteren Wårmeverlust. Handschuh und Bettdecke machen nicht warm, aber sie stauen die von uns selbst produzierte und abgestrahlte Wårme auf und geben sie verzægert an die Umwelt ab. Darçber hinaus beginnt der Kærper vermehrt Wårme zu erzeugen. Es gibt elegante, biochemische Verfahren und weniger elegante, physikalische. Bei beiden Verfahren wird Energie mit vertrauten Mechanismen umgesetzt, aber groûenteils zu Wårme ¹verpulvertª.

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10 Das vegetative Nervensystem l

Kærperliche Arbeit ist die uneleganteste Methode, aber durchaus wirksam: Da der Wirkungsgrad unserer Muskulatur 20% kaum çbersteigt, liefert Energie im Wert von 500 Watt bestenfalls Arbeit im Wert von 100 Watt, aber Abfallwårme im Wert von 400 Watt.

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Muskeltonus. Wir spannen in der Kålte unwillkçrlich unsere Muskeln an. Da wir dabei keine Arbeit von bleibendem Wert verrichten, gibt der Muskel Energie in Form von Wårme ab. Eine Steigerung dieses Verfahrens ist das

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Kåltezittern. Wenn wir den Kolben der Fahrradluftpumpe heftig hin und her bewegen, das Ventil aber defekt ist, wird die Pumpe warm (und auch unser Arm), aber nirgends wird Energie in Form von erhæhtem Luftdruck gespeichert. Entsprechend verrichten wir mit Muskelzittern keine Arbeit von bleibendem Wert. Wir heben kein Gewicht auf eine hæhere Position. Schnell ist alle Energie in Wårme verwandelt. Die so erzielbare Heizleistung kann kurzfristig mit 320±400 Watt den 4±5 fachen Wert des Grundumsatzes erreichen. Dies entspricht energetisch Schwerstarbeit; echtes Kåltezittern ist mehr als Fræsteln und wird maximal 2 Stunden ausgehalten.

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Biochemische Wårmeproduktion (¹zitterfreie Wårmeproduktionª). Im Bedarfsfall verheizt die Leber Fettsåuren bei mehr oder weniger entkoppelter ATP-Synthese. Da die Leber im thermisch geschçtzten Kernbereich kaum erfåhrt, ob im peripheren Kærper viel Wårme verloren geht, wird sie wahrscheinlich çber sympathische Nervenfasern oder hormonal zu erhæhter Stoffwechselaktivitåt aufgefordert. Als hormonale Signalgeber kommen beispielsweise Adrenalin und Thyroxin in Betracht (s. Kap. 11). Noch viel besser als die Leber kann, falls vorhanden, das braune Fettgewebe heizen.

10.5.6 Das braune Fettgewebe vieler Tiere und des Såuglings ist eine spezielle Heizung Braunes Fettgewebe findet sich bei vielen Såugern, die kçhle Klimazonen bewohnen, aber auch der menschliche Såugling hat es in seiner Unterhaut çber den Schulterblåttern und im oberen Brustbereich (Abb. 10.10). Die Zellen dieses Spezialgewebes schlieûen nicht nur Fettvakuolen ein, sondern sind auch reich mit Mitochondrien ausgestattet, die ihrerseits braune Cytochrome enthalten. Zum Heizen werden aus den gespeicherten Triglyceriden Fettsåuren abgespalten, aber nicht ins Blut abgegeben und der Leber çberantwortet, wie dies die weiûen Fettzellen tun, sondern in zelleigenen Mitochondrien verbrannt. Die im Citratcyclus plus Atmungskette freiwerdende Energie wird nicht zur ATP-Synthese oder sonstiger Arbeit verwendet, sondern direkt in Wårme umgesetzt. In die innere Mitochondrienmembran werden mittels des Proteins UCP (uncoupling protein, auch Thermogenin genannt) Poren fçr Protonen eingelassen. Die in der Atmungskette erzeugten Protonen (H+) kænnen an den ATP-Synthesemaschinen vorbei ihrem Trieb (Konzentrationsgradient) folgend zu ihren Hydroxylionen (OH±) eilen und sie heiûinnigst in die Arme nehmen. Ihre Energie wird nicht in ATP-Akkus gelenkt, sondern verpufft als Hitze (Abb. 10.11). Die Heizung wird eingeschaltet mittels des Hormons Noradrenalin. Die Adipocyten des braunen Fettgewebes haben b-Rezeptoren fçr Noradrenalin und zudem ist das Organ sympathisch innerviert (Abb. 10.11). Besonders viel braunes Fettgewebe haben die Winterschlåfer. Beim Såugling hilft Thermogenese das sehr ungçnstige Oberflåchen-Volumen-Verhåltnis zu kompensieren. Der Såugling hat eine etwa 3fach græûere relative Oberflåche, çber die er Wårme verliert, als ein Erwachsener. Die Jungen vieler Såugetiere sind darçber hinaus noch nackt. Sie brauchen ein geschçtztes Nest und die wårmende Fçrsorge der Mutter.

10.5 Thermoregulation Abb. 10.10. Lage des braunen Fettgewebes bei der Fledermaus, dem jungen Kaninchen und dem Såugling. Das braune Fettgewebe ist von Blut durchflossen, das Sauerstoff zur Verbrennung der Fettsåuren zufçhrt und die produzierte Wårme abfçhrt

Abb. 10.11. Wårmeproduktion in Zellen des braunen Fettgewebes. Die Wårmeerzeugung geschieht in den Mitochondrien. Das ¹uncoupling proteinª (= Thermogenin) erzeugt Poren in der inneren Mitochondrienmembran. Dies hat einen Kurzschluss zur Folge. Positiv geladene Protonen stræmen auf

negativ geladene Hydroxylionen unter Umgehung der ATPSynthase. Die Energie, die bei der Vereinigung von Protonen und Hydroxylionen frei wird, geht quantitativ in Wårmebildung auf

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10 Das vegetative Nervensystem

10.5.7 Kleine Tiere sparen Energie im Schlaf: Winterschlaf und Torpor Kleine Såuger verlæren im Winter viel zu viel Energie in Form von Wårme, wçrden sie eine Kærpertemperatur von 37 8C der kalten Umgebung aussetzen. Und dann kommt noch der Nahrungsmangel der Winterzeit hinzu. Die Natur hat zwei Læsungen gefunden, wobei beide Læsungen im Prinzip eine kontrollierte Poikilothermie darstellen: (1) Torpor, das vorçbergehende Absenken der Kærpertemperatur, beispielsweise in der kçhlen Nacht, wie dies Kolibris tun, und (2) Winterschlaf (Hibernation), der Torpor mit umfasst. Bei beiden Formen der Anpassung ist allerdings nicht nur die Thermoregulation betroffen; die ganze innere Úkonomie wird auf Sparflamme gehalten. Eine innere Uhr und das Hormonsystem stellen die gesamte vegetative Physiologie um (s. Kap. 27; Úkophysiologie).

Zusammenfassung des Kapitels 10 Es wird einleitend eine Einfçhrung in die Funktionsweise von Regelkreisen gegeben; denn die Regelung ¹vegetativerª Funktionen basiert auf biologischen Regelkreisen mit inneren Sinnesorganen als Fçhlern der Istwerte und zentralen Instanzen im Gehirn als steuernden Kontrolleuren, die im Bedarfsfall den Sollwert auch verstellen. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass das autonome vegetative Nervensystem nicht nur (wie oft dargestellt) die peripheren Systeme (PNS) des Sympathicus und Parasympathicus umfasst, sondern auch das enterische Nervensystem ENS und groûe Bereiche des Gehirns, vor allem das Zwischenhirn mit Hypothalamus und das Nachhirn (Medulla oblongata). Bei der Steuerung der Herztåtigkeit, des Blutdruckes, der Blutverteilung und der Atemfrequenz spielen Fçhler im Bereich der Herzvorhæfe, der Aorta und der Hals-

10.5.8 Die Kærpertemperatur schwankt tagesperiodisch und ± bei der Frau ± im Rhythmus des Menstruationszyklus Wenn man mit dem Thermometer die Rektaltemperatur misst, die der Kerntemperatur nahe kommt, misst man periodische Schwankungen. Beim Menschen misst man ein morgendliches Minimum und ein nachmittågliches Maximum. Die Differenz betrågt 0,6 8C. Bei der Frau werden diese tagesperiodischen Schwankungen çberlagert durch Schwankungen im Rhythmus des Menstruations-(Ovulations)-Zyklus. Nach der Ovulation, in der Mitte des Cyclus, steigt die Temperatur fçr einige Tage um 0,4 8C an. Die unmittelbaren Ursachen sind nicht bekannt; mittelbar dçrfte das Hormonsystem involviert sein.

schlagadern (Abb. 10.6) eine wichtige Rolle. Das neurovegetative System zur koordinierten Umsteuerung all dieser Funktionen ist in die antagonistischen Subsysteme Sympathicus und Parasympathicus gegliedert. Das sympathische System trimmt den Kærper auf momentane Leistungsbereitschaft (ergotrope Reaktionen, ¹fight and flight-Syndromª), das parasympathische System færdert Erholung und Aufbereitung der Nahrung (trophotrope Reaktionen, ¹rest and digestª). An den Enden (Synapsen) der sympathischen Befehlsfasern (Efferenzen) wird der Transmitter Noradrenalin freigesetzt, dessen stimulierende Wirkungen durch das Stresshormon Adrenalin unterstçtzt wird, an den Enden der parasympathischen Fasern der Transmitter Acetylcholin (ACH). Parasympathische Ûberreaktion læst u. a. Asthma bronchiale aus. Beide Subsysteme, das parasympathische und das sympathische, steuern auch die Tem-

10.5 Thermoregulation

peraturregulation der gleichwarmen (homoiothermen = endothermen) Tiere. Zu den Mechanismen der Regelung zåhlen Gegenstrom-Wårmeaustauscher, Verdunstung von Wasser zur Kçhlung und Umwandlung von mechanischer Arbeit in Wårme durch Muskelzittern. Das braune Fettgewebe des Såuglings und der Winterschlåfer ist auf biochemische, ¹zitterfreieª Wårmeproduktion spezialisiert. Durch Einbau

des uncoupling protein UCP, auch Thermogenin genannt, in die innere Mitochondrienmembran, wird die Atmungskette von der ATP-Synthese entkoppelt und die gesamte oxidativ freigesetzte Energie in Wårme verwandelt. Viele, besonders kleine Såuger und Kolibris, setzen bei Kålte und Nahrungsmangel vorçbergehend ihre Kærpertemperatur herab (Torpor), sparen so Energie und reduzieren Wårmeverlust.

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11 Hormonale Steuerung

vensystem und das Hormonsystem (Abb. 11.1). 11.1 Beide Systeme haben ihre besonderen Vorzçge Hormonale versus neuronale Signalçbermittlung ± Eigentçmlichkeiten, Definitionen und Einsatzbereiche. Auch wenn uns die Vorstellung fremd sein mag, trifft sie doch zu: Wir alle existieren als ein Staat von Zellen. Die Abermilliarden Einzelzellen sind freilich in ihrer Existenz voneinander abhångig und mçssen miteinander kooperieren, um den Staat als Ganzes lebensfåhig zu halten. Es gibt eine unçberschaubare Fçlle von Mæglichkeiten, wie Zellen miteinander kommunizieren kænnen. Beispielsweise kænnen sie auf ihrer Zelloberflåche Signalmolekçle exponieren, die von Nachbarzellen abgetastet und abgelesen werden kænnen. Solche im Nahbereich wirksamen Kommunikationssysteme haben fundamentale Bedeutung in der Embryonalentwicklung. Sie bleiben zeitlebens bedeutsam bei der Kontrolle lokaler Prozesse wie z. B. Entzçndungen und Immunreaktionen (s. Kap. 7, Immunologie). Wir betrachten in diesem Kapitel Systeme der Fernkommunikation, besonders die Kommunikation çber Botenstoffe, die unter dem Begriff Hormon (engl.: hormone, von griech.: horman = antreiben, in Gang setzen) bekannt geworden sind. 11.1.1 Botschaften und Befehle kænnen çber ¹Rundfunkª oder çber ein ¹Telefonnetzª çbermittelt werden Es gibt im erwachsenen menschlichen und tierischen Organismus zwei groûe Signalçbermittlungssysteme, die Nachrichten und Befehle çber groûe Distanzen çbermitteln kænnen: das Ner-

Nervensystem. Hier sind Sender und Empfånger durch individuelle Leitungen direkt miteinander verbunden. Entsprechend kænnen einzelne Empfånger direkt und individuell angesprochen werden. Die Signalleitung geschieht çber elektrische Impulse und sie geschieht rasch. Zwar wird am Ende der Leitung die Botschaft durch chemische Transmitter vermittelt, doch diese synaptische Ûbermittlung ist in einem Tausendstel einer Sekunde erledigt. Hormonsystem. Hier schicken Sender ihre Botschaft çber das Kreislaufsystem çberall hin. Entsprechend kænnen viele Empfånger erreicht werden. Die Signalçbertragung ist jedoch nicht so rasch. Das ¹Rundfunksystemª der Hormone wird in Anspruch genommen, wenn viele Empfånger erreicht und zum synchronen Handeln aufgefordert werden sollen, und wenn långerfristige Reaktionen im Bereich von einigen Sekunden, Minuten, Stunden, Tagen oder gar Jahren ausgelæst werden sollen. Die Empfånger mçssen freilich kompetent, das heiût auf den Sender eingestellt sein und spezifische Rezeptoren (Antennen) zum Empfang der Signale bereit haben. Nicht jede Zelle reagiert auf jedes hormonale Signal. In der Evolution dçrfte die Kommunikation çber Nervenfasern aus der zwischenzellulåren Kommunikation mittels chemischer Botenstoffe hervorgegangen sein. Schon bei Einzellern und einfachen Vielzellern (z. B. bei den Volvocales) gibt es chemische Kommunikation zwischen Individuen, beispielsweise um sexuelle Paarung einzuleiten. Die Signalmolekçle wirken oftmals in unvorstellbar geringer

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11 Hormonale Steuerung

Konzentration (das Mating-Pheromon der Volvocales in 10±14 mol/l). Definitionsgemåû sind solche Signalsubstanzen als Pheromone zu klassifizieren. Pheromone nennt man Signalsubstanzen, die zwischen Individuen einer Art ausgetauscht werden. Im Vielzeller haben sich einzelne Zellen und Zellgruppen im Zuge einer Arbeitsteilung auf spezielle Funktionen konzentriert und diese optimiert; beispielsweise auf die Funktion, mit hoher Empfindlichkeit externe Informationsquellen (¹Reize``) aufzuspçren und çber chemische Botenstoffe, die im Inneren des Vielzellers verteilt werden, ihre Geschwisterzellen zu alarmieren. Auch sonst gibt es allerlei mitzuteilen; chemische Kommunikation gewinnt an Bedeutung. Da kann es zweckmåûig sein, wenn Senderzellen Fortsåtze auswachsen lassen, um ihre chemischen Botenstoffe direkt auf ausgewåhlte Zielzellen richten zu kænnen. Freilich muss hierzu auch eine Mæglichkeit geschaffen werden, zur rechten Zeit vom zentralen Zellkærper aus die Exocytose des Botenstoffes am Ende der Fortsåtze auszulæsen. Elektrische Signale in Form von fortlaufenden Aktionspotentialen waren die Læsung. Die Mehrzahl der Signalsubstanzen waren wohl Peptide. Im Sçûwasserpolyp Hydra sind bereits an die 800 Peptide identifiziert worden. Die Ûbergånge von Neuropeptiden mit parakriner Funktion (Definition s. unten) zu Peptiden in der Funktion von Neurotransmittern ist flieûend.

11.1.2 Hormonale Signale triggern vorprogrammierte Antworten Jeder Vergleich hat seine Grenzen. In einem Punkt unterscheidet sich das Hormonsystem grundlegend vom Rundfunksystem: Welche Musik der Empfånger spielt, ist im Hormonsystem Angelegenheit des Empfångers selbst. Auf ein und dasselbe hormonale Signal reagiert diese Zelle so, die andere anders. Es kommt darauf an, wie die Zellen zuvor programmiert worden sind. Wenn wir unseren Vergleich passend modifizieren wollen, kænnen wir den Empfånger als CD-Laufwerk ansehen, der ± ausgelæst durch ein Rundfunksignal ± eine zuvor schon eingelegte CD abspielt. Dabei kann dieser Empfånger diese CD, jener jene CD im Einschubfach parat haben. Im Kreislauf zirkulieren Abertausende von Substanzen, davon vermutlich Hunderte, die man frçher oder spåter in die schon lange Liste der Hormone eingliedern wird. Aus diesem chao-

tischen Gemisch mçssen die Zielzellen die sie betreffenden Signalmolekçle mittels spezifischer Rezeptoren herausfischen. Zielzellen brauchen Rezeptoren hoher Spezifitåt, und wenn sie auf mehrere hormonale Signale hæren sollen, brauchen sie mehrere verschiedene Rezeptoren (Abb. 11.1). Damit eine angesprochene Zielzelle das richtige innere Programm starten kann, muss jedes aufgefangene Signal einen spezifischen Triggermechanismus ± ein Transduktionssystem ± betåtigen. 11.1.3 Øuûere hormonale Signale werden in den Zielzellen çber Transduktionssysteme in zellinterne sekundåre Signale umcodiert Die Mehrzahl aller Signalmolekçle wird mittels Rezeptoren aufgefangen, die in die Zellmembran eingelassen sind und ihre Liganden-Bindungsdomåne nach auûen orientiert haben. Das Teilwort ¹Domåneª verråt schon, dass Rezeptoren Proteine sind. Alle bisher identifizierten Rezeptoren sind in der Tat Proteine (oder Glykoproteine). Ist nun ein Ligand ± hier ein Hormonmolekçl ± gebunden, muss das Zellinnere benachrichtigt werden. Der Empfang eines åuûeren Signals læst einen Triggermechanismus aus, der die Botschaft ins Zellinnere leitet und dabei verstårkt. Solche Vorgånge heiûen Signaltransduktion. Man verwechsle nicht Signaltransduktion mit Signaltransmission. Transmission ist die Weitergabe einer Information von Zelle zu Zelle, beispielsweise an einer Synapse. Transduktion ist die Weitergabe einer Information ins Zellinnere. Es gibt eine Mehrzahl von SignaltransduktionsSystemen (s. Kap. 12). Fçr die Speicherung im Examensgedåchtnis ist es zu empfehlen, als Beispiel mindestens ein Hormon mit einem Transduktionssystem in Verbindung zu bringen. Beispielsweise l

Glucagon ± G-Protein-gekoppeltes System vom cAMP-PKA-Typ

l

Wachstumshormon oder Adiuretin (ADH, Vasopressin) ± G-Protein-gekoppeltes System vom PI-PKC-Typ

11.1 Hormonale versus nervale Signalçbermittlung ± Eigentçmlichkeiten, Definitionen Abb. 11.1. Vergleich Nervensystem ± Hormonsystem. Neurosekretorische Zellen verbinden Eigenschaften beider Systeme

l

Insulin ± Transmembran-Rezeptor-Tyrosinkinasen.

Bei Steroidhormonen und Thyroxin sagen Dozenten und Lehrbçcher, diese Hormone wçrden durch die Membran direkt ins Zellinnere diffundieren, um dort erst von Rezeptoren in Empfang genommen zu werden. Inwieweit dies zutrifft, wird noch zu diskutieren sein (s. Kap. 11.6). 11.1.4 Hormone sind in Spuren wirksam; man kommt ihnen durch Bioassays auf die Spur Bei Signalsubstanzen gençgt es, wenn die empfangende Zielzelle einige wenige Molekçle auffångt. Es mçssen nicht viele Worte gemacht wer-

den, weil die Botschaft nur lautet: ¹Starteª oder ¹hære aufª! Viel Energie ist auch nicht nætig, um das Abspielgeråt einzuschalten. Transduktionssysteme wirken hierbei auch als Verstårker. Entsprechend werden Hormone in nur winzigen Mengen in die Blutbahn entlassen. Die Konzentration liegt nicht selten bei 10±12 bis 10±14 mol/l. Im Blut vermischen sich die wenigen Molekçle eines bestimmten Hormons mit Abertausenden von anderen Molekçlen. Wie kommt man Signalmolekçlen auf die Spur? Håufig sind es zunåchst Zufallsbeobachtungen, die aufmerksam machen. Beispielsweise kænnte eine Hormondrçse, ohne dass sie schon als solche identifiziert worden wåre, bei einer Operation (z. B. Kastration) entfernt worden sein. Oder sie hat sich pathologisch vergræûert und ist zu einem benignen

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11 Hormonale Steuerung

(gutartigen) Tumor (Adenom) geworden, der çbermåûig Hormone produziert. Man beobachtet Ausfallserscheinungen oder çberschieûende Reaktionen. Dann wird man im Tierversuch gezielt mutmaûliche Hormonproduzenten entfernen oder implantieren. Hat man so einen Hormonproduzenten identifiziert, geht die Arbeit erst richtig los: Sammeln von produzierendem Gewebe, Extraktion, Wegreinigen von Abertausenden von Begleitsubstanzen. Oft muss tonnenweise Ausgangsmaterial aufgearbeitet werden, bis eine analysierbare Menge reiner Substanz im Reagenzglas vorliegt. Fçr die Aufreinigung der ersten Hypophysenhormone mussten in Schlachthæfen Amerikas çber 1 Million Hirne von Schweinen, Schafen und Rindern gesammelt werden. Eine Hypophyse ist etwa erbsengroû; 500 Kçhe liefern ca. 500 g Hypophyse. Wie aber weiû man, in welchem Extrakt und in welcher chromatographischen Fraktion das gesuchte Hormon ist und wieviel drin ist? Man kennt anfangs die chemische Natur des gesuchten neuen Hormons ja gar nicht. Da hilft keine Chemie und hilft keine Technik (z. B. Gaschromatograph). Man braucht eine quantifizierbare biologische Wirkung (Bioassay) als Indikator. Dies ist insofern von Bedeutung, weil oftmals die Wirkungen, die in Lehrbçchern einem Hormon zugeschrieben werden, diejenigen sind, auf die man mehr oder weniger zufållig gestoûen ist und die dem Bioassay zugrunde lagen. Erst nach und nach wird man gewahr, dass jedes Hormon multiple Wirkungen hat und viele, vielleicht sogar besonders wichtige Funktionen noch nicht erkannt sind. Hat man ein Hormon isoliert und analysiert, rçstet man auf andere, einfachere Nachweisverfahren um. Gelingt es, Antikærper gegen das gereinigte Hormon zu erzeugen, entwickelt man immunchemische Tests auf Mikrotiterplatten, die auch im klinischen Labor routinemåûig eingesetzt werden kænnen und keine Genehmigung nach dem Tierschutzgesetz erfordern, weil gar keine Tierversuche mehr nætig sind. Solche Tests heiûen z. B. ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) oder RIA (radioimmune assay). Sie

sind so empfindlich, dass man Hormone ohne vorherige Anreicherung und sogar den Hormongehalt einzelner Zellen messen kann. Wenn sich ein Hormon als Protein oder Peptid zu erkennen gibt, weil es z. B. mittels Proteasen inaktiviert werden kann, gençgt es, wenn die Sequenz von ca. 10 Aminosåuren entschlçsselt ist. Dann kann man mit kçnstlich erzeugten Oligonukleotiden das zugehærende Gen oder in einer cDNA-Bank die zugehærende cDNA aufspçren (s. Lehrbçcher der Molekularbiologie). Von der Struktur des Gens oder der cDNA kann man die restliche Aminosåurensequenz des Hormons ableiten. Und mit der cDNA kann man in Expressionsvektoren (z. B. in Bakterien, Hefezellen oder tierischen Zellen) græûere Mengen des Hormons produzieren lassen. Es hat technische Grçnde (aber vielleicht nicht nur), wenn die Mehrzahl der identifizierten Hormone (Poly-)Peptide sind: Man kann sie besonders gut auffinden. Aus dem Gesagten folgt auch, dass mutmaûlich eine groûe Zahl instabiler niedermolekularer Signalsubstanzen noch unbekannt ist oder ihre Wirkung noch unzulånglich erforscht ist. Sie werden daher im Lehrbetrieb nur am Rande erwåhnt, so auch in diesem einfçhrenden Buch. 11.1.5 Chemisch gehæren bisher identifizierte Hormone in ihrer groûen Mehrzahl einer von vier verschiedenen Substanzklassen an: Polypeptide, Aminosåure-Abkæmmlinge, Steroide und Eicosanoide Die Substanzklassen, in die sich die meisten bisher identifizierten Hormone eingruppieren lassen (Abb. 11.7 u. 11.8), sind: 1. Peptide und Proteine. Beispiele: alle Hormone der Hypophyse; dazu Insulin und Glucagon aus den Langerhans'schen Inseln des Pankreas. 2. Aminosåurederivate, genauer: Derivate des Tyrosins (Beispiele: Thyroxin der Schilddrçse, Adrenalin und Noradrenalin des Nebennierenmarks) oder des Tryptophans (Beispiel: Melatonin).

11.1 Hormonale versus nervale Signalçbermittlung ± Eigentçmlichkeiten, Definitionen

3. Steroide. Als solche sind sie Abkæmmlinge des Cholesterins. Beispiele: die Hormone der Nebennierenrinde (Cortisol u. a.), die Sexualhormone (Testosteron, Ústradiol, Progesteron) und Ecdyson, ein entwicklungssteuerndes Hormon der Arthropoden. Hormone mit der Sammelbezeichnung Calciferol sind Abkæmmlinge von Vitaminen der D-Klasse, und als solche ebenfalls von Cholesterin abgeleitet und den Steroiden åhnlich. Diese Øhnlichkeit bezieht sich auch auf die molekulare Wirkungsweise. Cholecalciferol = Vitamin D3, Ergocalciferol = Vitamin D2 und 1,25-(OH)2 = Calcitriol sind nicht minder den Hormonen zuzurechnen als den Vitaminen.

4. Eicosanoide. Das sind Derivate der ungesåttigten Fettsåure Arachidonsåure (arachidonic acid, von Arachis hypogaea = Erdnuss). Bisher sind çber 200 Derivate dieser labilen Substanz identifiziert (u. a. mittels Massen- und Kernresonanzspektroskopie). Die ebenfalls labilen Derivate der Arachidonsåure gliedern sich in mehrere Klassen; sie heiûen u. a. Prostaglandine, Thromboxane, Leukotriene oder Hydroxyfettsåuren. 5. Andere ± inklusive gasfærmige. Bei Wirbellosen kommen auch noch andere Substanzklassen vor. Das Juvenilhormon der Insekten ist ein Terpenoid. Bis vor kurzem war es Privileg der Botaniker, mit einem gasfærmigen Hormon aufwarten zu kænnen (Ethylen). Inzwischen kann auch der Tier- und Humanphysiologe auf eine gasfærmige Signalsubstanz verweisen: Stickstoffmonoxid (nigrogen monoxide) NO. Sie wirkt im Kærper (z. B. als Modulator an Synapsen und im Immunsystem und læst eine Dilatation von Blutkapillaren aus). Wir verweisen hier nur auf ihre Existenz und haben ein Stichwort fçr die Internetsuche gegeben. Darçber hinaus gibt es, analog zum pflanzlichen Ethylen, flçchtige Signalsubstanzen, die çber die Medien Wasser oder Luft andere Individuen beeinflussen. Der Zoologe nennt solche zwischen den Individuen einer Art wirksamen Substanzen aber nicht Hormone, sondern Pheromone (s. Kap. 24, Kommunikation).

11.1.6 Was ein Hormon ist, ist nicht nur Sache der Definition, sondern auch der Tradition Fçr Botaniker ist jede Art von Signalsubstanz ein Hormon. Nach Tradition der zoologischen und medizinischen Literatur ist ein Hormon definiert als eine Signalsubstanz, die von einer Drçse erzeugt und im Kreislauf verteilt wird. Mehr und mehr stellt sich aber nun heraus, dass es allçberall im Kærper Signalsender gibt, die keineswegs den Charakter einer Drçse haben mçssen, und dass manches Hormon nicht nur in jener Drçse erzeugt wird, die man einstmals zuerst als Signalsender identifizieren konnte, sondern auch andernorts. Beispielsweise produzieren Lungenepithel und Verdauungstrakt zahlreiche hormonale Signalsubstanzen. Andererseits ist auch mit der Entdeckung, dass Nervenzellen Sender von Hormonen sein kænnen, die Abgrenzung zu den Neurotransmittern flieûend geworden. Beispiele fçr multifunktionelle Signalsubstanzen, die sowohl Transmitter an Synapsen sein kænnen als auch Hormone, die in der Blutbahn auftauchen, werden im Abschnitt 11.3.4 genannt. Um Ordnung zu halten und den Ûberblick bewahren zu kænnen, erlåutern wir erst Begriffe, die zur Klassifikation der Hormone eingefçhrt wurden, und konzentrieren uns dann auf ¹klassischeª Hormone. 11.1.7 Begriffe wie endokrin, parakrin und autokrin deuten auf Reichweite, Wege und Ziele Endokrin ist das klassische Hormon, produziert von einer endokrinen Drçse und global im Kreislauf verteilt (Abb. 11.1 u. 11.2). Beispiel: Insulin. Neuroendokrin ist eine Signalsubstanz, die von einer Nervenzelle am Ende ihres Axons freigesetzt wird, im typischen Fall in eine Blutkapillare hinein (Abb. 11.1 u. 11.3). Beispiele: Adiuretin und Oxytocin der Neurohypophyse (s. Abb. 11.5). Parakrin ist eine Signalsubstanz, die çber die Zellzwischenråume den Nachbarzellen zugespielt wird oder çber ærtliche Kapillaren in einer Ge-

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11 Hormonale Steuerung

Abb. 11.2. Begriffe der Endokrinologie (Lehre von den inneren Wirkstoffen bzw. Signalsubstanzen)

websprovinz verteilt wird. Die Eicosanoide werden dieser Kategorie zugeordnet. Autokrin ist eine Signalçbermittlung, bei der eine Zelle sich selbst stimuliert. Das gibt es viel in der Embryonalentwicklung; bekannte Substanzen dieser Klasse heiûen in der Regel ¹Wachstumsfaktorª. 11.1.8 Begriffe wie ¹glandulåreª und ¹aglandulåreº Hormone, ¹diffuses endokrines Systemª und ¹Gewebshormoneª deuten auf den Ursprung im Kærper Glandulår ist ein Hormon, das von einer klassischen Drçse (lateinisch: glandula) erzeugt wird (Abb. 11.3 u. 11.4). Hingegen werden aglandulåre Hormone von diffus verteilten Zellen, die nur schwer aufzufinden sind, freigesetzt. Solche çber groûe Areale verstreute Signalsender findet man in zunehmender Zahl im Verdauungstrakt, im

Abb. 11.3. Hierarchische Gliederung von Hormonsystemen

Lungenepithel, in der Unterhaut, in den lymphatischen Organen (Lymphknoten, Thymus, Milz), in den Endothelien der Blutgefåûe und sogar in den Vorhæfen des Herzens. Es kænnte wohl sein, dass es bald kein lebendes Gewebe mehr gibt, dem man nicht das eine oder andere (Gewebs-)Hormon zuschreiben wird. Der etwas seltsam klingende Ausdruck Gewebshormon deutet an, dass man der betreffenden Substanz eher lokale Bedeutung zuschreibt. Beispielsweise werden verschiedene Eicosanoide (Arachidonsåure-Abkæmmlinge wie Leukotriene, Thromboxane) als

11.2 Koppelung von Zentralnervensystem und Hormonsystem

lassen und uns im Weiteren auf das klassische Hormonsystem beschrånken, das unter der Oberherrschaft des Gehirns steht. Doch auch diese Hormone werden in gleicher oder åhnlicher Form auch andernorts im Kærper erzeugt.

11.2 Koppelung von Zentralnervensystem und Hormonsystem 11.2.1 Hormonsysteme sind hierarchisch gegliedert und unterstehen dem ZNS

Abb. 11.4. Wichtige Hormonproduzenten im menschlichen Kærper

Alarmsubstanzen betrachtet, die bei lokalen Entzçndungen Zellen des Abwehrsystems anlocken und aktivieren. Weitere Begriffe, die summarisch solche Substanzen mit eher lokaler oder vorçbergehender Wirkung bezeichnen wollen, sind Mediator (¹Vermittlerª) oder Cytokin (¹Zellbewegerª). Solchen Signalsubstanzen, deren Hauptwirkungsort nach çblichem Verståndnis eine Provinz des Kærpers ist, sind wir schon mehrfach begegnet, z. B. im Verdauungstrakt (Gastrin, Secretin, Cholecystokinin, s. Kap. 4) und im Immunsystem (z. B. Histamin, Interleukine, Lymphokine, Cytokine, s. Kap. 7). Wir wollen es dabei bewenden

Ob man das Hormonsystem eines Wirbeltieres untersucht oder zoologisch breiter interessiert ist und Insekten, Krebse oder Tintenfische einbezieht, man erkennt çberall, dass Hormonsysteme hierarchisch gegliedert sind. Oberste Instanz ist das Gehirn; hier kann Information aus der Umwelt und Information von inneren Sinnesorganen (z. B. Blutdruckrezeptoren, pO2- und pCO2Rezeptoren, s. Kap. 10) integriert werden. Von hier aus kann auch im Wirbeltier das vegetative Nervensystem mit eingeschaltet werden. Zwischen den Neuronenverbånden des Gehirns und dem Hormonsystem vermitteln neuroendokrine Zellen. Sie çbergeben ihre hormonalen Botenstoffe in so genannten Neurohåmalorganen dem Blut bzw. bei Insekten und anderen Arthropoden der Håmolymphe. Neurohåmalorgane sind die Neurohypophyse der Wirbeltiere und die Corpora allata der Insekten. Neurohormone sind oft glandotrope Hormone (= drçsensteuernde Hormone), deren Adresse eine ¹echteª Hormondrçse ist. Diese kann ihrerseits eine Hormondrçse I. Ordnung sein, die Hormondrçsen II. Ordnung ansteuert. Die Letzteren setzen dann die Hormone frei, die schlussendlich auf die Zielzellen wirken (Abb. 11.3).

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11 Hormonale Steuerung

11.2.3 ¹Kinder wachsen im Schlafª. Hormone werden oft in rhythmischen Schçben freigesetzt und wirken auf das Zentralnervensystem zurçck Wenn vom Gehirn aus eine hormonale Kaskade gestartet wird und am Ende eine Hormondrçse ihr definitives Hormon aussendet, so wirkt dieses oftmals auf das Zentralnervensystem zurçck. Vielfach wirkt das im Blut kreisende Hormon im Sinne einer negativen Rçckkoppelung hemmend auf seine eigene Freisetzung. Dadurch bleibt die Konzentration des Hormons gering. In der Hormonphysiologie heiût Konzentration çbrigens oft Spiegel oder Titer des Hormons. Oft schwankt der Titer eines Hormons im Blut in regelmåûigen Perioden auf und ab, ohne Unterlass. Beispielsweise wird das Wachstumshormon (GH, Somatotropin) çberwiegend in den Nachtstunden in das Blut entlassen. Andererseits ist die Konzentration von Cortisol im Blut des Menschen regelmåûig in den Morgenstunden am hæchsten. Die Titer dieser Hormone folgen einer inneren Uhr (circadiane Rhythmik, s. Kap. 13). Das Gonadotropine-releasing-hormone GnRH des Hypothalamus wird pulsatil alle 90 min freigesetzt, wobei sich noch eine circadiane Rhythmik çberlagert: Nachts sind die Amplituden der Pulse hæher als tagsçber. Bei der Frau kommt auch noch eine 28-Tage-Rhythmik (Menstruationsrhythmik) hinzu. Wirkung auf Gehirn und Verhalten. Die Rçckwirkung von Hormonen auf das Gehirn muss sich nicht auf negatives feedback in Regelkreisen zur Regulation des Titers beschrånken. Weitergehende und dramatische Einflçsse sind von den Sexualhormonen bekannt: Sie beeinflussen sehr stark unsere Prådisposition zu sexuellen Verhaltensweisen. Andere færdern elterliches Verhalten (Prolactin, s. Kap. 11.3.5). Selbst so unscheinbare Hormone wie das ¹gallenblasenbewegendeª Hormon Cholecystokinin haben Einfluss auf die Psyche; es vermittelt Såttigungsgefçhl, ebenso wie die appetitzçgelnden Hormone (s. Kap. 11.3.10).

11.3 Das Hormonsystem des Menschen I: Das Hypothalamus-Hypophysensystem Der Mensch steht im Folgenden fçr Såugetiere allgemein; in groûen Zçgen gilt das Gesagte auch fçr andere Wirbeltiere. 11.3.1 Das Hormonsystem startet im Zwischenhirn; hier beginnt die ¹Hypothalamus-Hypophysen(Nebennierenrinden)-Achseª Mit Methoden der Molekularbiologie (in-situHybridisierung) und der Immunologie (Immuncytochemie, Immunfårbung) findet der Anatom und Physiologe immer mehr Nervenzellen, die Neuropeptide enthalten. Neurosekretorische Zellen finden sich in groûer Zahl im Zwischenhirn. Dort findet man dorsal die Epiphyse = Pinealorgan (Abb. 11.4), der wir im Kapitel 13 (Biorhythmik) unsere Aufmerksamkeit schenken. Besonders viele neurosekretorische Zellen findet man im ventralen Teil des Zwischenhirns, dem Hypothalamus. Dort geht es weiter zur Hypophyse. Man spricht von der Hypothalamus-Hypophysen-Achse. Verfolgt man den weiteren Verlauf der Signalkaskade, so kann man beispielsweise bei der Nebennierenrinde als weiterer Hormondrçse ankommen. Die medizinisch-physiologische Literatur liebt in solchen Fållen Kettenausdrçcke wie ¹Hypothalamus-Hypophysen-NebennierenrindenAchse``. 11.3.2 Die Hypophyse, die fçhrende Hormondrçse, gliedert sich in Adenohypophyse (Vorderlappen), Mittellappen und Neurohypophyse (Hinterlappen) Als fçhrende Instanz im Hormonsystem der Wirbeltiere gilt eine kleine, ca. 1 g wiegende Drçse, die unter dem Zwischenhirn (Diencephalon) liegt und mit dem Hypothalamus durch den Hypophysenstiel (Infundibulum) verbunden ist (Abb. 11.5 u. 11.6). Entwicklungsgeschichtlich und in ihrer

11.3 Das Hormonsystem des Menschen I: Das Hypothalamus-Hypophysensystem Abb. 11.5. Hypothalamus-Hypophysen-Achse

internen Struktur gliedert sich die Hypophyse in drei Teile. Durch Fusion zweier Teile bleiben im Såuger sekundår noch zwei Teile unterscheidbar. 1. Die Neurohypophyse (Hypophysen-Hinterlappen) ist ein Richtung Gaumendach herausgezogener Teil des Zwischenhirns. Die Neurohypo-

physe ist ein Bçndel von output-Fasern (Axone) neurosekretorischer Zellen. An ihrer terminalen Synapse entlassen die Fasern neuroendokrine Hormone in ein dichtes Netz vorbeiziehender Blutkapillaren. Die Neurohypophyse ist somit ein Neurohåmalorgan, eine Schnitt-

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11 Hormonale Steuerung Abb. 11.6. Hypophysenhormone. Die meistgenannten Hormone und ihre Adressen

stelle zwischen ZNS und Kreislauf. (Ein solches lokal aufgefåchertes Kapillarennetz, an dem ein besonders effektiver Austausch von Stoffen, Wårme oder Information stattfindet, wird von den Anatomen als Glomus bezeichnet.) Die bekanntesten Hormone der Neurohypophyse sind Adiuretin ADH, auch Vasopressin genannt, und Oxytocin. 2. Neuroendokrine Hormone in vorbeiziehenden Blutkapillaren. Die Neurohypophyse ist somit ein Neurohåmalorgan, eine Schnittstelle zwischen ZNS und Kreislauf. Die bekanntesten Hormone der Neurohypophyse sind Adiuretin ADH, auch Vasopressin genannt, und Oxytocin. 3. Die Adenohypophyse (Vorderlappen) ist entwicklungsgeschichtlich aus einer Ausstçlpung

des Gaumendaches (Rathke'sche Tasche) hervorgegangen. Diese Tasche stçlpt sich der Neurohypophyse entgegen. Anders als die Neurohypophyse besteht die Adenohypophyse nicht aus neurosekretorischen Zellen, sondern aus konventionellen Drçsenzellen. Dennoch steht auch die Adenohypophyse unter der Kontrolle des Gehirns. Neurosekretorische Zellen im Hypothalamus geben kontrollierende Neurohormone in kleine Blutkapillaren ab, die direkt in die Adenohypophyse fçhren (Portalgefåûe = Pfortadergefåûe der Adenohypophyse, Abb. 11.5). Diese vom Hypothalamus ausgesandten kontrollierenden Neurohormone heiûen Releasing-Hormone oder Liberine, oder auch Inhibine, je nachdem, ob sie die Freigabe der originåren Hypophysenhormone anregen oder hemmen.

11.3 Das Hormonsystem des Menschen I: Das Hypothalamus-Hypophysensystem Abb. 11.7. Peptidhormone: Struktur, Homologien, genetische Herkunft

Die originåren, von den Drçsenzellen der Adenohypophyse selbst synthetisierten Hormone sind Polypeptidhormone, die in ihrer Mehrzahl (4 von 3) andere Hormondrçsen ansteuern. Man nennt diese glandotrope Hormone (griechisch: glandos = Drçse, tropein = steuern). Die Adenohypophyse hat als Hormondrçse I. Ordnung die Oberherrschaft inne çber Schilddrçse, Nebennierenrinde, Gonaden und ± Leber, insoweit diese eine Hormondrçse ist (Abb. 11.6, s. auch Abb. 11.10). Das Wachstumshormon freilich ist nicht bloû ein glandotropes Hormon, sondern wirkt auch direkt auf viele Zielzellen. l

Glandotrop: ACTH, TSH, FSH, LH, Somatotropin;

l

direkt wirkend: Somatotropin, Prolactin, Lipotropin.

Die eben aufgelisteten Begriffe und Hormone werden weiter unten erlåutert. 4. Der Mittellappen (pars intermedia) ist beim Menschen nur wåhrend der Embryonalentwicklung als separates Gebilde auszumachen. Bei ¹niederenª Wirbeltieren, Fræschen beispielsweise, ist er als eigener Lappen vom Vorderlappen abgrenzbar. Er liefert melanocytenstimulierende Hormone MSH, welche die Pigmentierung der Haut (dunkel versus hell) steuern. Wir schlagen den Mittellappen der Adenohypophyse zu, wie es auch der Humanphysiologe tut.

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11 Hormonale Steuerung

11.3.3 Die Hormone des Hypothalamus und der Hypophyse sind durchweg Peptide oder Polypeptide. Sie leiten sich von Prohormonen ab, in denen noch manch weitere potentielle Hormone stecken Die Molekularbiologie ist dabei, nach und nach die Gene fçr die diversen Polypeptidhormone zu identifizieren und den Biosyntheseweg aufzuklåren. Oft findet man Gene, welche die Sequenz eines Peptids mehrfach hintereinander enthalten. In den produzierenden Zellen wird an den Ribosomen des Endoplasmatischen Reticulums ein langes Prohormon gebildet, aus dem im Zuge einer posttranslationalen Modifikation (processing) die Peptide enzymatisch herausgeschnitten werden. Modifikationen am Aminoterminus (z. B. Umwandlung einer Glutaminsåure in Pyro-Glu) und am Carboxyterminus (z. B. Umwandlung eines Glycins in Amid -CO-NH2) machen die Peptide schwer abbaubar. Auch findet der Molekularbiologe immer mehr Prohormone, die zwar von einem einzigen Gen codiert werden, aus denen enzymatisch aber verschiedene (potentielle) Hormone herausgeschnitten werden. Beispielsweise liefert das Prohormon POMC (Pro-opiomelano-cortin) der Adenohypophyse vier verschiedene (potentielle) Hormone (Abb. 11.7). ¹Potentiellª ist hier in Klammern gesetzt, weil die Molekularbiologie oftmals Polypeptide entdeckt, çber deren Funktion noch gar nichts bekannt ist. Darçber hinaus findet man manch klassisches Hypophysenhormon unvermutet auch anderswo, im Gehirn oder in der Darmwand oder sonstwo. So spannend solche Befunde fçr den Fachmann auch sind, wir beschrånken uns im folgenden Abschnitt auf ein Beispiel, dem die medizinische Forschung gegenwårtig viel Beachtung schenkt.

11.3.4 Euphorisierende und schmerzstillende Peptide (Opioide) zeigen, dass ein und dieselben Signalsubstanzen als Neurotransmitter und als Hormone eingesetzt werden kænnen Unter der wachsenden Zahl von Neuropeptiden, die als Transmitter im ZNS identifiziert werden, haben in den letzten Jahren die so genannten Opioide groûe Beachtung gefunden. Man war auf der Suche nach molekularen Rezeptoren fçr die schmerzstillenden und suchterzeugenden Inhaltsstoffe des Schlafmohns und des aus ihm gewonnenen Opiums. Der wirksame Inhaltsstoff ist Morphin. Heroin, Methadon und Naloxon sind kçnstlich hergestellte Derivate oder Agonisten mit åhnlicher Wirkung. Im Zuge dieser Forschung identifizierte man eine Reihe von Peptiden/Proteinen als natçrliche Liganden fçr die Morphin-Rezeptoren. Man nennt sie summarisch Opioide oder Endorphine, im Einzelnen b-Endorphine, Enkephaline, Dynorphine, Endomorphine und Nociceptine. Diese Peptide, oder die mRNA's fçr die Vorlåuferpeptide, werden in vielen Neuronen des Gehirns entdeckt, im Hypothalamus und in Gebieten, die man mit Empfindungen und Emotionen in Beziehung setzt (limbisches System mit Amygdala). Man findet solche Neurone aber auch im Rçckenmark und im Nervennetz des Magen-Darm-Traktes. Die freigesetzten Peptide kænnen nicht nur den synaptischen Spalt çberqueren, sondern erscheinen auch im Blut. In die Blutbahn injiziert, wirken solche Peptide schmerzstillend. Dynorphin hemmt die Signalçbertragung in Schmerzbahnen des Rçckenmarks ca. 20 000-mal wirksamer als Morphin. Manche beeinflussen aber auch den Gemçtszustand: sie kænnen euphorische Stimmung hervorrufen. Wenn die Pein des Marathonlaufs in Euphorie umschlågt, und einer gerade çberwundenen Todesangst der ¹Kick`` und das ¹High-Gefçhl`` folgen, sind, wie man annimmt, solche natçrlichen Opioide im Spiel. Bemerkenswert ist eine Koppelung mit dem System des Sympathicus. Starker Stress setzt Endorphine frei; die Schmerzempfindlichkeit des

11.3 Das Hormonsystem des Menschen I: Das Hypothalamus-Hypophysensystem

Kærpers wird herabgesetzt. Was das soll? Man darf spekulieren. Normalerweise zwingt starker Schmerz zur Ruhe. Wird aber Tier/Mensch von einem Raubtier/bewaffneten Feind angefallen und verletzt, so dçrfte es oftmals lebenserhaltend sein, den Schmerz nicht zu beachten, sondern zu kåmpfen oder zu fliehen (Sympathicus: ¹fight and flight``-Syndrom, Kap. 10). Ûberraschend werden Endorphine auch in einigen nichtneuronalen Zellen hergestellt. So erzeugen auch Lymphocyten b-Endorphin. Umgekehrt sind auch die Zellen des Immunsystems Empfånger solcher Signale. Makrophagen beispielsweise haben Rezeptoren fçr mancherlei Hormone einschlieûlich b-Endorphin. Aber auch fçr die Stresshormone Adrenalin und Cortisol, denen wir spåter wieder begegnen. 11.3.5 Ein kurzer Steckbrief klassischer Hormone des Hypothalamus und der Hypophyse 1. Hypothalamus l

Endorphine (Opioide): b-Endorphine, Enkephaline, Dynorphine, Endomorphine und Nociceptine. Schmerzhemmend im ZNS. Periphere Funktionen weitgehend unbekannt, doch ist gewiss, dass sie auf das Immunsystem Einfluss nehmen und entzçndungshemmend wirken kænnen.

l

Releasing-Hormone mit ± Liberinen und ± Inhibinen. Groûes Spektrum an Neuropeptiden, mittels derer die nachgeschaltete Adenohypophyse aufgefordert wird, ihrerseits ein Hormon freizusetzen oder die Freisetzung zu stoppen.

Zwei Releasing-/Liberin-Hormone und ein Inhibin seien namentlich genannt; denn sie sind auch medizinisch von groûem Interesse: Das Corticoliberin = Corticotropin-releasingHormon CRH. Es stimuliert nicht nur die Freisetzung von ACTH aus der Adenohypophyse, sondern aktiviert auch die Gebiete im Gehirn, von

denen der Sympathicus (s. Kap. 10) seinen Ausgang nimmt. CRH, in die Gehirnventrikel injiziert, læst bei Såugetieren stereotype Verhaltensmuster aus, die stressbedingten Verhaltensmustern gleichen. Die Aktivitåt der neurosekretorischen Neurone, die CRH produzieren, wird a) durch Stress und b) durch Stimuli der inneren Uhr gesteigert; als Folge wird ACTH von der Adenohypophyse im tagesperiodischen Rhythmus in die Blutbahn entlassen. Da ACTH die Freisetzung von Cortisol auslæst, schwankt auch die Konzentration von Cortisol im Blut tagesperiodisch (s. Kap. 13). Heutzutage erstaunt es kaum mehr, wenn die wissenschaftliche Literatur berichtet, dass CRH auch von neurosekretorischen Zellen des MagenDarm-Traktes erzeugt wird, auch wenn es çber die Bedeutung solcher Befunde allenfalls Spekulatives zu lesen gibt. Das Gonadoliberin (GnRH). Es steuert die Abgabe der beiden gonadotropen Hypophysenhormone FSH und LH, die gemeinsam den Takt im Menstruationszyklus der Frau angeben, die aber auch die Pubertåt im månnlichen Geschlecht auslæsen. Bei der Frau wird GnRH pulsatil im Rhythmus der Menstruationsperioden freigesetzt. Auch fçr GnRH ist ein Produktionsort auûerhalb des Gehirns bekannt. Es ist die Plazenta, und dort hilft GnRH die Menstruation bei Schwangerschaft auszusetzen. Das Somatostatin. Der Name will andeuten, dass dieses Neurohormon die Freisetzung des Wachstumshormons hemmt. Korrekt mçsste es lauten Somatostatin-Nr. X; denn es handelt sich bei Somatostatin nicht um ein einzelnes Peptid, sondern um eine Peptidfamilie. Vertreter dieser Familie werden auch in anderen Bereichen des ZNS entdeckt, und wiederum im Magen-DarmTrakt. Ihnen wird eine kaum çberschaubare Zahl von Funktionen zugesprochen: so hemmen gewisse Somatostatine auch die Freisetzung von Hormonen, die nicht in der Hypophyse produziert werden, beispielsweise die Sekretion des Schilddrçsenhormons Thyroxin und der blutzuckerregulierenden Hormone Insulin und Glucagon.

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Abb. 11.8. Nichtpeptid-Hormone (Auswahl)

2. Neurohypophyse l

l

Adiuretin alias antidiuretisches Hormon ADH alias Vasopressin. Regelt Wasserrçckgewinnung in der Niere (A = nicht, gegen; diurese = Wasserdurchlauf). Kann auch in manchen Kærperprovinzen Blutgefåûe zur Kontraktion bringen (daher auch Vasopressin). Oxytocin. Hier sind mehrere Funktionen bei der Frau bekannt. Hilft Geburtswehen auszulæsen und stimuliert die glatten Muskeln der Milchdrçsen in der Brust, die Milch auszupres-

sen (s. Abb. 11.15). Gemeinsamer Nenner: Kontraktion von Muskulatur. Die Milchsekretion ist ein schænes Beispiel fçr einen Reflexbogen, der auch ein Hormon als Informationstråger einsetzt. Der Såugling nuckelt; der Saugreiz wirkt çber Sinnes- und Nervenzellen aufs Gehirn; dieses sendet Oxytocin aus: die Milch flieût (s. Abb. 11.20). Darçber hinaus wird dem Oxytocin (wie auch dem Prolactin, s. unten) eine Rolle zugesprochen beim Wecken mçtterlichen Verhaltens.

11.3 Das Hormonsystem des Menschen I: Das Hypothalamus-Hypophysensystem

Oxytocin ist auch ein Beispiel, das uns aufmerksam macht, wie fragmentarisch unser Wissen çber die Wirkung von Hormonen selbst bei ¹alten Klassikernª noch ist. Was tut Oxytocin beim Mann? Eine Hypothese meint, es læse die Ejakulation aus. Auch soll es den Transport des Spermas im Samenleiter færdern und die Schwimmaktivitåt der Spermien steigern. Oxytocin-Produzenten werden auch im Hoden des Mannes gefunden; Oxytocin ist in der Vaginalflçssigkeit enthalten. Die Nonapeptide Adiuretin und Oxytocin stimmen in ihrer Aminosåuresequenz weitgehend çberein (Abb. 11.7). Sie stammen offensichtlich von einem gemeinsamen Vorlåufergen ab. Die Gene beider Peptidhormone codieren fçr Prohormone, in denen weitere potentielle Hormone noch unbekannter Funktion stecken (Neurophysine). 3. Adenohypophyse l

Wachstumshormon (Growth-hormone GH oder somatotropes Hormon STH oder Somatotropin). Leider gibt es fçr viele Hormone mehrere Bezeichnungen und Abkçrzungen. Biologen, daran gewæhnt, dass die derzeitige Wissenschaftssprache Englisch ist, ziehen die Bezeichnung GH vor, der lateinkundige Mediziner die Bezeichnung STH, wiewohl ¹somatotropes Hormonª wie die meisten wissenschaftlichen Bezeichnungen gar nicht von lateinischen, sondern von griechischen Wærtern abgeleitet ist (soma = Kærper, tropein = steuern).

Das Wachstumshormon wirkt zellteilungsfærdernd (mitogen) auf viele Zielzellen, die mit dem PI-Signaltransduktionssystem ausgestattet sind (s. Kap. 12). Es ist, so wird gesagt, ein aglandulåres Hormon, das direkt auf Zielzellen wirkt. Es gibt indessen auch eine glandotrope Wirkung auf die Leber: Diese setzt auf Befehl von Somatotropin Somatomedine frei, die viele Wirkungen des Somatotropin indirekt vermitteln. Somatomedine sind die verschiedenen Insulin-like-growthfactors IGF. Der Ausdruck ¹Wachstumsfaktorª erklårt ganz banal, warum Leber und die IGF in Aufzåhlungen von Hormondrçsen und Hormo-

nen oft nicht auftauchen. Nicht alles in der Wissenschaft ist logisch. Wachstumshormon wird çberwiegend nachts in den Blutkreislauf entlassen. Es wird nicht zu Unrecht gesagt, Kinder wçchsen im Schlaf. Dennoch muss langer Schlaf als solcher nicht wachstumsfærdernd sein. Eine lange Hellperiode vor dem Schlaf scheint eher færderlich zu sein. Unterversorgung des jugendlichen Kærpers mit Wachstumshormon (oder defekte GH-Rezeptoren in den Zielzellen) fçhren zu hypophysårem Zwergwuchs; Ûberfunktion zu Gigantismus (Riesenwuchs). Nach der Pubertåt, wenn nur noch wenige Wachstumszonen an den Knochen çbrig geblieben sind, verursachen GH-produzierende Tumore eine Verlångerung von Armen und Fingern, Beinen und Zehen (Akromegalie). Dem Wachstumshormon steht als bremsender Antagonist Somatostatin gegençber. Es ist eines jener Hormone, die in verschiedenen Varianten (Isoformen) an verschiedenen Stellen des Kærpers erzeugt werden, hier im Hypothalamus als Neurohormon, dort im Pankreas und in der Darmwand. l

Prolactin: das mçtterliches und våterliches Verhalten færdernde Hormon. Sein Name (¹Fçr Milchª) deutet an, dass dieses Hormon wåhrend der Schwangerschaft und zur Zeit des Stillens die Milchproduktion in Gang setzt und aufrecht erhålt. Wåhrend Oxytocin das Auspressen der Milch aus den Milchgången stimuliert, regt Prolactin die Synthese der Milch (Proteine und Fette) an. Was macht Prolactin beim Mann? So manches, was man zur Wirkung von Prolactin beim Mann zu Lesen bekommt, ist widersprçchlich. So soll das Hormon beim Mann die Libido drosseln, andererseits die Hormonproduzenten des Hodens (Leydigsche Zwischenzellen) stimulieren, vermehrt månnliches Sexualhormon (Testosteron) herzustellen, das seinerseits die Fåhigkeit zur Libido steigert.

Gibt es auch Funktionen, die in beiden Geschlechtern çbereinstimmen? Die Verwandtschaft des Prolactins mit der Familie der anerkannten Wachstumshormone legt die Vermutung nahe, dass Wachstum (von was?) ein ge-

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meinsamer Nenner sein kænnte. Weitere Gemeinsamkeiten? Der Tierphysiologe weiû Bemerkenswertes zu berichten. Jungfråuliche weibliche Ratten, deren Hypophyse entfernt wurde, beginnen untergeschobene Pflegejungen zu bemuttern, wenn ihnen Prolactin injiziert wird. Weibliche Sexualhormone bewirken dies nicht. Kçmmern sich bei Wirbeltieren (Fischen, Amphibien, Vægeln, Murmeltieren) auch die Våter um die Nachkommenschaft ± dies ist bei monogamen Paaren die Regel ± ist die Fçrsorge um die Jungen begleitet von einem erhæhten Prolactinspiegel im Blut der Våter. In alten Zeiten der Wirbeltierevolution hatte Prolactin mutmaûlich weitere, ganz andere und vielfåltige Rollen gespielt. Bei Fischen und Amphibien ist es an der Regelung des Ionen- und Wasserhaushaltes (Osmoregulation) beteiligt. Molche stimuliert es, ein Laichgewåsser aufzusuchen. Bei manchen Amphibien hat Prolactin darçber hinaus die Rolle eines Juvenilhormons, das eine vorzeitige Metamorphose verhindert (s. Abb. 11.21). Bei Tauben stimuliert Prolactin die Kropfmilchsekretion, Hçhner werden zur Fçtterung von Kçken angeregt ± und schon sind wir wieder bei der Pflege des Nachwuchses. l

Das adreno-cortico-trope Hormon ACTH. Das Hormon regt, wie der Name sagt, die Nebennieren(adrenes)-Rinde(cortex) an, vermehrt Cortisol in die Blutbahn abzugeben. Augenscheinlich ist dies nicht die einzige Funktion. Das Gen fçr ACTH wird an mehreren Orten der Hypothalamus-Hypophysenachse exprimiert. Es liefert neben ACTH gleichzeitig die Hormone b-Endorphin und MSH (melanocytenstimulierendes Hormon). Zellen, die das Gen exprimieren, erzeugen zuerst das gemeinsame Prohormon POMC (Pro-Opio-MelanoCortin) (Abb. 11.7). ACTH und MSH zusammen besorgen dem Frosch in der Dåmmerung eine dunkle Fårbung, uns bescheren sie eine braune Haut.

Bedeutsamer mag sein, dass ACTH von der Hypophyse auf Befehl jener Instanzen des Zwischenhirns ausgeschçttet wird, die auch Einfluss auf das sympathische System nehmen. Stress und Angst nehmen auf hormonalem und nervalem Weg Einfluss auf kærperliche Funktionen. Die Funktion der çbrigen glandotropen Hypophysenhormone einschlieûlich der gonadotropen Hormone soll gemeinsam mit den Hormonen zur Sprache kommen, welche von den angesteuerten Drçsen II. Ordnung auf Befehl dieser Hypophysenhormone in den Blutkreislauf entlassen werden.

11.4 Das Hormonsystem des Menschen II: Periphere Hormonquellen (ohne Gonaden) 11.4.1 Das jodhaltige Thyroxin der Schilddrçse låsst uns Brennstoff verfeuern und schickt die Kaulquappe in Metamorphose Das Thyreotropin oder Thyroid-stimulating-hormone TSH der Adenohypophyse stimuliert die Schilddrçse, ihren Beitrag zur Steuerung von Stoffwechsel, Wachstum und Entwicklung zu leisten. Die Schilddrçse tut dies, indem sie ihr eigentçmliches Thyroxinmolekçl aussendet. Thyroxin ist ein seltsames Molekçl: es ist bis heute das einzige bekannte biologische Molekçl, das Jod enthålt (Abb. 11.9). Hergestellt wird es in der Schilddrçse aus zwei Tyrosin-Aminosåuren, an die ± vermittelt durch Jodid aus der Nahrung ± Jod-Atome angehångt werden. Diese zwei Tyrosinreste sind eingebunden in ein dimeres Protein, das Thyreoglobulin. Innerhalb dieser dimeren Polypeptidkette wird Tyrosin erst jodiert, dann werden zwei Tyrosinreste miteinander gekoppelt. Es gibt zweifach jodiertes Tyrosin T2 und einfach jodiertes T1. Je nachdem, welche miteinander gekoppelt werden, entsteht in der Summe Tetrajodthyronin (T4) oder Trijodthyronin (T3). T4 und T3 kænnen zur Freisetzung ins Blut

11.4 Das Hormonsystem des Menschen II: Periphere Hormonquellen (ohne Gonaden) Abb. 11.9. Thyroxinsynthese in der Schilddrçse

aus dem Thyreoglobulin herausgetrennt werden. Beide werden unter der Bezeichnung Thyroxin zusammengefasst. Im Blut wird Thyroxin an neue Proteintråger gebunden und so im Kreislauf verteilt. Als wichtigstes Trågerprotein wird das thyroxinbindende Globulin TBG genannt. Es gibt jedoch noch weitere wie das Pråalbumin TBPA. In peripheren Organen, vor allem in der Leber und der Niere, kann das wenig wirksame T4 in das hochwirksame T3 umgewandelt werden. In den Zielgeweben angekommen, gelangt T3 ± irgendwie ± in die Zielzellen hinein und wird dort von intrazellulåren Rezeptoren aufgegriffen.

Der Humanphysiologe weiû mehr von kurzfristigen, der Tierphysiologe mehr von langfristigen Thyroxinwirkungen zu berichten. In der Humanphysiologie wird auf die metabole Wirkung verwiesen (Abb. 11.10). Thyroxin steigert den Grundumsatz. Es treibt den basalen Stoffwechsel der Zellen in die Hæhe. Diese entnehmen Blutzucker (Glucose) dem Blut und verfeuern ihn. Sie tun dies zwar, um ATP zu gewinnen. Bei kråftiger, minutenlanger Thyroxinstimulation jedoch wird mehr und mehr Wårme produziert. Patienten mit Schilddrçsençberfunktion werden selten dick, aber kommen leicht ins Schwitzen. Die Patienten sind nervæs, emotional labil, leiden unter

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Schlaflosigkeit; ihre Augen treten hervor (Basedow-Syndrom). Der Tierphysiologe verweist auf die Rolle, die Thyroxin in der Amphibienmetamorphose spielt. Thyroxin leitet und begleitet die Metamorphose der Kaulquappe zum Frosch (s. Abb. 11.21). Auch ist es involviert bei der Mauser der Vægel und dem Wechsel des Kleides, den sich einheimische Såuger im Frçhjahr und im Herbst leisten. In einem treffen sich Human- und Tierphysiologe: Thyroxin færdert in Synergie mit dem Wachstumshormon das Wachstum der Jugend in allen Belangen. Unterfunktion der Schilddrçse weist dem Neugeborenen ein schlimmes Schicksal zu. Er bleibt in seiner Entwicklung kærperlich und geistig stark zurçck. Die Stærungen der Gehirnfunktionen sind schwerwiegend (Kretinismus). 11.4.2 Intrazellulår wird Thyroxin an den gleichen Typ von Rezeptoren gekoppelt, mit dem die Zelle auch Steroidhormone auffångt Eine çberraschende Erkenntnis der gegenwårtigen Molekularbiologie weist darauf hin, wie langfristige Thyroxinwirkungen molekular zu deuten sind. Thyroxin bindet an intrazellulåre Rezeptoren vom Typ der Steroidhormonrezeptoren. Beladen mit Thyroxin, stimulieren diese Genaktivitåten (s. Abb. 11.24). Die Rezeptoren der Steroid/ Thyroxin-Klasse sind mit Zinkfingerdomånen ausgestattet und haben eine DNA-bindende Domåne, mit der sie Promotoren vor bestimmten Genen finden. Dimere dieser Rezeptoren werden zu Transkriptionsfaktoren, mit Hilfe derer diese Gene eingeschaltet werden. Ja es gibt heterodimere Rezeptoren, bei denen ein Partner des Dimers Thyroxin, der andere ein Steroidhormon gebunden hålt.

Abb. 11.10. Hormonale Steuerung von Wachstum und Regeneration. Ausschnitt (ohne z. B. Sexualentwicklung)

11.4 Das Hormonsystem des Menschen II: Periphere Hormonquellen (ohne Gonaden)

11.4.3 Nebenschilddrçse und C-Zellen der Schilddrçse liefern Hormone, die bei der Regulation des Calcium-Spiegels im Blut von Bedeutung sind Calcium ist nicht nur ein Element, das in Form seiner Phosphat- und Carbonatsalze zur Hårtung des Knochens beitrågt. Calcium-Ionen zåhlen zu den wichtigsten Regulatoren der intrazellulåren Prozesse. Beispielsweise leiten explosionsartig aus intrazellulåren Speichern freigesetzte Calcium-Ionen (Ca2+) die Muskelkontraktion ein. Calcium-Ionen sind bei der Freisetzung von Transmittern und Neurohormonen an den synaptischen Terminals beteiligt. Der Organismus ist bestrebt, die Umwelt ¹erregbarerª Zellen so zu gestalten, dass die Erregbarkeit unter Kontrolle bleibt. Neben dem Kaliumgehalt mçssen vor allem der Calciumgehalt und Magnesiumgehalt der extrazellulåren Flçssigkeit gleichbleibend sein. Die Bedeutung eines gut geregelten Calciumgehaltes in der Kærperflçssigkeit und (im Standardlehrbetrieb oft nicht berçcksichtigt) auch eines kontrollierten Magnesiumgehaltes, liegt im Einfluss dieser Ionen auf die elektrischen Aktivitåten erregbarer Zellen. Mangel an Magnesium macht sich in schmerzhaften Muskelkråmpfen bemerkbar, Ûberschuss an Calcium fçhrt zu Ausfallserscheinungen im Nervensystem. Bei der Regulation der Calcium-Homæostase sind Hormonproduzenten beteiligt, die eine eigenartige evolutionsgeschichtliche Vergangenheit haben. Sie leiten sich von entodermalem Kiementaschengewebe ab. Såuger legen ja in ihrer Embryonalentwicklung noch Kiementaschen an, die freilich nicht mehr zu Kiemenschlitzen durchbrechen und deren Wandung keine Kiemen mehr entwickeln. Im Zuge der Embryonalentwicklung læsen sich von den Kiementaschen Zellgruppen ab, die sich ventral verlagern und Kontakt zur Schilddrçse aufnehmen. l

Zwei Gruppen von Kiementaschenzellen (Epithelkærper) werden zur Nebenschilddrçse (Parathyreoidea), die das Hormon Parathyrin (Parathormon) produziert.

Abb. 11.11. Parathyrin (Parathormon) und Calcitonin. Wirkungen auf den Calcium-Haushalt l

Zwei andere Gruppen werden zu den Ultimobronchialkærpern, die bei Såugern in die Schilddrçse hineindrångeln und dort als C-Zellen wiederzufinden sind. Sie liefern das Hormon Calcitonin.

Hinsichtlich ihrer Wirkung auf den Calcium-Spiegel im Blut wirken Parathyrin und Calcitonin antagonistisch (Abb. 11.11). Calcitonin færdert den Einbau von Ca2+ in die Knochen, zugleich aber die Ca2+-Ausscheidung in der Niere, und beides låsst den Ca2+-Spiegel des Blutes sinken. Das Parathormon hingegen mobilisiert Ca2+ aus den Knochen und færdert die Ca2+-Aufnahme in Darm und Niere; der Ca2+-Gehalt des Blutes steigt. Der Ionenhaushalt einschlieûlich des Calciumhaushalts wird von weiteren hormonartigen Substanzen beeinflusst, so von den im nachfolgenden Abschnitt genannten.

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11.4.4 An der Regulation des Ionen- und Wasserhaushalts sind viele Instanzen und hormonale Signalsubstanzen beteiligt, vor allem Adiuretin, Aldosteron und die Renin-Angiotensin-Kaskade Dieses hæchst unçbersichtliche Regulationsgeschehen sei hier nur sehr summarisch zusammengefasst. Chemorezeptoren im Hypothalamus, in den Herzvorhæfen und in den groûen Blutgefåûen (Aortenbogen, Halsschlagadern) messen unter anderem den pO2, pCO2, pH und osmotischen Wert des Blutes (s. Abb. 10.6). Mæglicherweise gibt es darçber hinaus im Hypothalamus Sensoren, die auf spezifische Ionen ansprechen. Dehnungsrezeptoren in den Herzvorhæfen, in der Aorta, in den Glomeruli der Nieren messen (indirekt) Blutdruck und Blutvolumen. Je nach Bedarf werden Wasser und Ionen çber die Niere ausgeschieden oder in der Niere aus dem Primårharn zurçckgeholt und çber den Darm aus Speis und Trank herausgeholt. An der hormonalen Regulation beteiligt sind: l

Adiuretin ADH der Neurohypophyse. Auf Befehl des ADH holt die Niere Wasser aus dem Primårharn ins Blut zurçck.

l

Aldosteron der Nebennierenrinde und das

l

natriuretische Hormon (Peptid) des Herzvorhofs sorgen fçr einen geregelten Natriumund Kalium-Haushalt.

l

Der D-Hormon-Cocktail namens Calciferol, zusammengemischt aus Cholecalciferol (= Vitamin D3), Ergocalciferol (= Vitamin D2) und 1,25-Dihydroxycalciferol (= Calcitriol) beeinflussen in vielfåltiger Weise den Ca2+-Haushalt und darçber hinaus eine unçberschaubare Zahl zellulårer Funktionen, die hier nicht zur Sprache kommen kænnen. Die Substanzen sind eher als Hormone oder Mediatoren denn als Vitamine zu klassifizieren. Odysseeisch sind Herkunft und Reise dieser Substanzen. Ausgangssubstanz ist kærpereigenes 7-Dehydrocholesterin oder das strukturell sehr åhnliche pflanzliche Ergosterin, die zur Aktivierung in der Haut

dem UV-Licht ausgesetzt sein mçssen. Weitere Stationen der Aktivierung sind Leber und Niere. l

Das Renin-Angiotensin-System ist bei der Kontrolle von Blutvolumen und Blutdruck beteiligt. Wichtiges Stellglied ist die Niere (s. Abb. 6.16). 11.4.5 Die Regulation des Blutzuckerspiegels durch Insulin und Glucagon erfolgt durch autonome Regelkreise; aber das Gehirn kontrolliert mit

Die Glucose des Blutes, der Blutzucker, ist das unverzichtbare Grundnahrungsmittel der Nervenzellen, der Erythrocyten und auch der meisten Muskelzellen. Das Angebot im Blut muss zuverlåssig auf ausreichendem Niveau eingestellt sein; denn schon fçnf Minuten Hunger låsst Nervenzellen absterben. Wir fassen das Regelgeschehen ± mit Verweis auf Kapitel 5 ± hier nur summarisch zusammen (Abb. 11.12): l

Insulin aus den B-Zellen (b-Zellen) der Langerhansinseln stimuliert das Einschleusen der Blutglucose çber Carrier in die Zellen (Leberzelle, Muskelzellen, Fettzellen) und die intrazellulåre Speicherung der Glucose in Form von Glykogen. In der Fettzelle (Adipocyte) wird die in der Glucose steckende Energie in Form von Triglyceriden gespeichert.

l

Glucagon aus den A-Zellen (a-Zellen) der Langerhansinseln stimuliert die Abgabe von Glucose bzw. von Fettsåuren aus den Speichern.

Der Istwert des Glucosespiegels im Blut wird direkt von den hormonproduzierenden a- und b-Zellen in den Inseln des Pankreas gemessen. Sensor der b-Zellen ist der Glucosetransporter, der bei hohem Glucoseangebot im Blut in Kooperation mit einem Enzym (Glucokinase) die b-Zellen dazu bringt, Insulin freizugeben (s. Kap. 5.4.1). Weitere Glucose-Sensoren sollen sich im Hypothalamus des Zwischenhirns befinden, also inmitten jenes Organs, dessen Glucoseabhångigkeit am græûten ist. Das Gehirn kann seinerseits

11.4 Das Hormonsystem des Menschen II: Periphere Hormonquellen (ohne Gonaden) Abb. 11.12. Regelung des Blutzuckerspiegels, der Glucose-Aufnahme und -Abgabe, und der Fettsåure-Freisetzung durch Insulin und Glucagon, GLUT-1, GLUT-2 und GLUT-4 sind verschiedene Isoformen des Glucosetransporters, der eine erleichterte Diffusion vermittelt

die Hormonproduzenten des Insulins im Pankreas çber sympathische Bahnen beeinflussen. 11.4.6 Fettleibigkeit kontra Magersucht: Leptin und appetitzçgelnde oder -færdernde Peptidhormone Måuseståmme, die ± genetisch bedingt ± zu FressSucht und Fettleibigkeit (Obæsitåt, obesity) neigen, haben Genetiker, Molekularbiologen und Geschåftsleute auf die Spur eines neuen Hormons gebracht: Leptin. Sind Fettzellen gesåttigt, senden sie ein Hormon aus, das sagt: ¹es langtª. Fehlt das Hormon, oder sind die Hormonrezeptoren defekt,

wird alles Verfçgbare in die Fettgewebe geleitet. Injektion von Leptin in die Blutbahn kann andererseits zu einer Abmagerung fçhren. Warum sich eilends Geschåftsleute um dieses Hormon gekçmmert haben? Freilich, wenn's nicht am Leptin fehlt, sondern der Leptin-Rezeptor defekt oder die weitere Signalkette gestært ist, hilft auch eine Hormonsubstitution nicht zu asketisch-schlanker Linie. Es gåbe effektivere Mæglichkeiten der Gewichtskontrolle. Das in den Industrielåndern, allen voran den USA, grassierende Ûbel der Fettleibigkeit (obesity) hat viel Forschungsmittel freigesetzt und Forscheraktivitåt nicht nur an Universitåten aktiviert. Ent-

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11 Hormonale Steuerung Abb. 11.13. Hormonale Regelung von Appetit und Såttigung. Es tragen vor allem Neuropeptide aus dem Nervengeflecht des Magen-Darm-Trakts zur Regelung bei; sie beeinflussen neurosekretorische Zellen im Hypothalamus, die ihrerseits Einfluss auf die Aktivitåt von Neuronen nehmen, denen die Entscheidung ¹Essen jaª oder ¹Essen neinª obliegt

sprechend mehren sich die Berichte in der wissenschaftlichen Literatur und den Medien, wonach es weitere Hormone gibt, die auf den Appetit und Kærpergewicht Einfluss nehmen (Abb. 11.13). l

Den Hormonen Leptin und Insulin wird die Funktion zugeschrieben, auf lange Sicht eine ausgewogene Balance zwischen Energieverbrauch und Energiespeicherung einzustellen.

l

Verschiedenen Neuropeptiden wird die Funktion zugesprochen, kurzfristig Gefçhle des Hungers und Appetits oder Gefçhle der Satt-

heit und Vælle auszulæsen. Als Appetitauslæser wird das Peptid Ghrelin genannt, als Appetitzçgler sind mehrere Polypeptide in die Diskussion gebracht worden: das seit langem bekannte Cholecystokinin, das Glucagon-like Peptide GLP-1 und Peptid PYY. Sie werden im MagenDarm-Trakt produziert, wirken andererseits auf ein bestimmtes Kerngebiet des Hypothalamus (Nucleus arcuatus), wo sich Neurone finden, deren Transmitter/Neurosekrete Essensbedçrfnis auslæsen (Peptid NPY) oder Essensstopp signalisieren (Melanocortin).

11.4 Das Hormonsystem des Menschen II: Periphere Hormonquellen (ohne Gonaden) Abb. 11.14. Hormonale Kontrolle von Stressreaktionen

11.4.7 Unter Bedingungen des Stresses ist der Bedarf an Blutzucker erhæht. Die Alarmhormone Adrenalin und Cortisol greifen ein Werden wir plætzlich mit einer Gefahr konfrontiert oder sind wir aus eigenem Antrieb bemçht, unsere Kråfte zu mobilisieren, schickt das vegetative Nervensystem nervale Signale ins Nebennierenmark. Dieses injiziert daraufhin das Alarmhormon Adrenalin ins Blut. Zu den aufrçttelnden Botschaften des Adrenalins gehært der Befehl an die Leberzellen, vermehrt Glucose freizugeben (Abb. 11.14, s. auch Kap. 10, Abb. 10.7).

Nebennierenmark und Adrenalin. Adrenalin (adrenaline, epinephrine), ein Derivat des Tyrosins, wird im Nebennierenmark von Zellen erzeugt, die von den so genannten Neuralleisten des Embryos abstammen und von dort ausgewandert waren. Aus diesen Neuralleisten ist auch das vegetative Nervensystem hervorgegangen (s. Abb. 10.5). Adrenalin kooperiert mit einem Hormon, das zwar in råumlicher Nåhe zum Nebennierenmark erzeugt wird, aber von einem Gewebe ganz anderer Herkunft, und das einer ganz anderen Klasse von Substanzen angehært: Cortisol.

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11 Hormonale Steuerung

Nebennierenrinde und Cortisol. Das Steroidhormon Cortisol (und das chemisch åhnliche, doch weniger wirksame Cortison) wird von der mesodermalen Nebennierenrinde hergestellt. Adrenalin stimuliert die Synthese von Cortisol, Cortisol stimuliert die Synthese von Adrenalin. In der Peripherie ist die Wirkung dieser Hormone teilweise synergistisch zu der des Glucagons (Abb. 11.14). l

Adrenalin alarmiert rasche Reaktionen. Es wirkt in den Zielzellen çber ein Signaltransduktionssystem (cAMP-System). In Leberzellen stimuliert es in Synergie mit Glucagon die Freigabe von Glucose.

l

Cortisol gehært zu jenen Hormonen, die in tagesperiodischem Rhythmus in die Blutbahn entlassen werden. Frçhmorgens wird der hæchste Titer im Blut gemessen. Es wird dem Hormon nachgesagt, es bereite uns fçr den Tag vor, færdere das Wachwerden, den Appetit und sogar unser Wohlbefinden ± allerdings nur in einem engen optimalen Dosisbereich. Zu niedere und zu hohe Konzentrationen færderten hingegen depressive Stimmung. Cortisol wird fçr långerfristige Einstellungen auf stressreiches Leben benætigt. Es wirkt, wie alle Steroidhormone, unter anderem genregulatorisch und induziert die Synthese von Enzymen, die fçr die Herstellung von Glucose aus Aminosåuren (Gluconeogenese, s. Kap. 5) gebraucht werden. Da Cortisol und das ihm sehr åhnliche Cortison so færderlich auf die Synthese von Glucose wirken, haben sie die Ehrenbezeichnung Glucocorticoide erhalten. 11.4.8 Das Cortisol der Nebennierenrinde hat besonders vielfåltige, medizinisch wichtige Wirkungen ± einschlieûlich unerwçnschter Nebenwirkungen

Cortisol wçrde in der Medizin gewiss nicht so oft angewandt, wçrde sich seine Wirkung auf die Færderung der Glucosebildung in der Leber beschrånken. Die Gluconeogenese geht von Aminosåuren aus. Wo kommen sie her? Sie kommen aus

vielen verschiedenen Kærperzellen, die unter dem Einfluss von Cortisol Proteine abbauen. Cortisol in Salben und Spritzen soll ein çberschieûendes Immunsystem drosseln, soll Allergien und Autoimmunkrankheiten dåmpfen. Das tut es auch. Cortisol liefert andererseits den unwillkommenen Beweis, dass auch ¹natçrliche Medikamenteª gravierende Nebenwirkungen haben. Beispielsweise bewirkt Cortisol aufgrund seiner katabolen Effekte Muskelschwund und es regt Osteoklasten (Makrophagen-Abkæmmlinge) an, Knochensubstanz abzubauen: Die Folge ist Osteoporose. Die Nebennierenrinde liefert drei Gruppen von Steroidhormonen: l

Cortisol, das Glucocorticoid,

l

Aldosteron, das Mineralocorticoid, das mit dem Adiuretin der Hypophyse und dem ReninAngiotensin-System zusammenwirkt, um den Wasser- und Ionenhaushalt des Kærpers zu regeln (s. Abb. 6.16).

l

Sexualhormone, insbesondere Androgene. Hier sei dies nur erwåhnt. Mehr darçber berichten die Abschnitte 11.5.2 und 11.5.3. 11.4.9 Das Gehirn reagiert nicht nur auf Steroidhormone; es erzeugt selbst welche

Wenn von Steroidhormonen die Rede ist, hært man oft von Rçckkoppelung auf das Gehirn; dies trifft vor allem auf die Sexualhormone zu. Es mehren sich aber Berichte, wonach im Gehirn selbst Neurosteroide gebildet werden, darunter Sexualhormone. Ûber deren Funktion gibt es spannende Hypothesen, doch noch wenig gesichertes Wissen.

11.5 Das Hormonsystem des Menschen III

11.5 Das Hormonsystem des Menschen III: Die Steuerung der Sexualentwicklung, des Menstruationszyklus und der Schwangerschaft Hormone eignen sich in hohem Maûe, um langfristige Entwicklungen zu starten und zu steuern. Hierzu gehært die Sexualentwicklung, die mit der Pubertåt keineswegs zuende ist. Im weiblichen Geschlecht gilt es, von Zeit zu Zeit Eizellen zur Reife zu bringen und die Gebårmutter auf eine mægliche Schwangerschaft vorzubereiten. Im månnlichen Geschlecht wird die Produktion des Samens unter periodischer hormonaler Stimulation aufrechterhalten. 11.5.1 Die Entwicklung des månnlichen Geschlechts erfolgt in Stufen unter hormonaler Kontrolle Die gegenwårtige Entwicklungsbiologie hat unter Einsatz des ganzen Methodeninventars der Genetik, der Molekularbiologie und Hormonphysiologie folgendes Szenario entwickelt: l

Stufe 1: Das genetische Geschlecht. Das Gen Sry auf dem Y-Chromosom vermittelt die Synthese eines hormonalen SRY, auch Testis-determining-factor TDF genannt.

l

Stufe 2: Das gonadale Geschlecht. Unter dem Einfluss des TDF reifen im ¹Markª des Hodens die Hodenkanålchen; in den Kanålchen erscheinen die Sertoli-Zwischenzellen, zwischen den Hodenkanålchen die Leydig'schen Zwischenzellen (s. Abb. 11.16). Die Sertoli-Zellen erzeugen den hormonalen Anti-Mçllerianduct-factor AMFD (auch MIS = Mçller'schen Gang inhibierende Substanz genannt). Der AMFD unterdrçckt die Entwicklung weiblicher Komponenten des Urogenitalsystems und fçhrt zur Regression des Mçller'schen Ganges, aus dem ein Eileiter håtte hervorgehen kænnen. Die Leydig'schen Zwischenzellen erzeugen das månnliche Sexualhormon Testosteron.

l

Stufe 3: Das somatische Geschlecht. Das dominierende androgene Sexualhormon Testosteron (Abb. 11.15) steuert die weitere Entwicklung der primåren Geschlechtsmerkmale in Richtung des månnlichen Geschlechts.

l

Stufe 4: Das psychische Geschlecht. Im Tierversuch greift Testosteron noch vor der Geburt in die Entwicklung des Gehirns ein. Als Ergebnis dieser Einflussnahme erfåhrt das Verhalten eine Prådisposition. Vor oder kurz nach der Geburt mit Testosteron behandelte Nager benehmen sich wie Månnchen, auch wenn ihre genetische Konstitution XX ist und sie anatomisch weiblich sind.

l

Stufe 5: Zur Einleitung der Pubertåt stimulieren die gonadotropen Hypophysenhormone follikelstimulierendes Hormon FSH und das luteinisierende Hormon LH die Leydig'schen Zwischenzellen, vermehrt Testosteron zu produzieren. Unter seinem Einfluss entwickeln sich die sekundåren Geschlechtsmerkmale (Stimmbruch, Bartwuchs etc.), und die Produktion des Samens beginnt.

In diesem Szenario ist bisher das weibliche Geschlecht nicht aufgetaucht. Verwirrend mag auch sein, dass ¹follikelstimulierendes Hormonª und ¹luteinisierendes = gelbkærperfærderndes Hormonª in diesem Szenario dem månnlichen Geschlecht zugeschlagen worden sind. Keine Sorge: Streichen wir das sry-Gen, und kommt es folglich nicht zur Produktion von Testosteron, erscheint das weibliche Geschlecht von selbst. Die weibliche Entwicklung ist die ¹default optionª. Dies besagt nicht, dass die weiblichen Sexualhormone, die Ústrogene und Gestagene, fçr die Entwicklung des weiblichen Kærpers und der weiblichen Psyche ohne Belang wåren. Die Gonade, die sich von einem indifferenten Urzustand aus statt zum Hoden per default option zum Ovar entwickelt, produziert auf Geheiû von FSH und LH weibliche Sexualhormone ¹von selbstª, d. h. ohne dass ein besonderes weiblichbestimmendes Gen eingreifen mçsste.

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11 Hormonale Steuerung

Abb. 11.15. Synthese der Sexualhormone (einige Zwischenstufen sind ausgelassen)

11.5 Das Hormonsystem des Menschen III

11.5.2 Hauptproduktionsort der Sexualhormone sind die Gonaden, doch auch die Nebennierenrinde und sogar das Gehirn produzieren welche Testosteron wird in den Leydigzwischenzellen des Hodens produziert, beim erwachsenen Mann 6±7 mg/Tag. Diese Menge entspricht ca. 95% der Tagesproduktion. Die restlichen 5% werden in der Nebennierenrinde hergestellt, Spuren auch im Gehirn. Entsprechendes gilt fçr die weiblichen Sexualhormone. Hauptproduktionsort der Ústrogene (Ústradiol (estradiol), Ústron, Ústriol) sind die das Ei umhçllenden Follikelzellen (Granulosaund Thecazellen). In geringem Maûe erzeugen auch die Nebennierenrinde, die Leber, das Gehirn und andere Organe Ústrogene. Progesteron (progesterone) wird ebenfalls von den Follikelzellen erzeugt, wenn sich der Follikel nach dem Eisprung in den Gelbkærper verwandelt hat. Im Blut werden die Sexualhormone parallel zum Thyroxin an Globulinproteine gebunden transportiert. Testosteron wird in vielen Zielorganen in das wirksamere 5a-Dihydroxytestosteron (DHT) umgewandelt. Das hierfçr zuståndige Enzym, genannt 5a-Reduktase, liegt in zwei isomeren Ausgaben vor, Typ 1 wird in der Haut, Leber und Gehirn exprimiert, Typ 2 im Nebenhoden und der Prostata. Damit sind auch schon wichtige (wenn auch nicht alle) Wirkungsorte der Androgene genannt. 11.5.3 Beide Geschlechter produzieren månnliche und weibliche Sexualhormone, jedoch in unterschiedlichem Ausmaû. Auch ist man unterschiedlich mit Rezeptoren bestçckt Ûberblickt man die Synthesewege der Sexualhormone (Abb. 11.15) wird man Ûberraschendes gewahr. Der Syntheseweg zum Testosteron kann çber Progesteron fçhren (auch Aldosteron und Cortisol gehen aus Progesteron hervor). Ústradiol wird aus Testosteron hergestellt, ist also nicht nur

månnliches Sexualhormon, sondern auch Prohormon des wichtigsten weiblichen Sexualhormons. Biochemie-Lehrbçcher zeigen auf, dass nahezu jedes Sexualhormon çber kurze oder lange Wege in jedes andere umwandelbar ist. Da enzymatisch katalysierte Umwandlungsschritte Gleichgewichtsreaktionen sind, muss nicht mehr verwundern, wenn nicht nur hochempfindliche Methoden der Massenspektroskopie, sondern auch gångige Verfahren des Diagnoselabors månnliche und weibliche Sexualhormone in beiden Geschlechtern entdecken. So lassen sich aus dem Gehirn des Mannes Testosteron, DHT und Ústradiol extrahieren. Freilich sind die in den Gonaden und im Blut nachweisbaren Mengenverhåltnisse doch recht unterschiedlich, wenn man Extrakte aus Geweben und Blut von Frauen und Månnern miteinander vergleicht. Dann ist zu bedenken: Es kommt nicht nur darauf an, welche Hormone erzeugt werden und im Blut kursieren, sondern auch welche Rezeptoren wo und wann exprimiert werden. Immerhin, Ústradiolrezeptoren sind auch in Gehirnarealen des Mannes entdeckt worden, und es gibt Indizien, dass zur Entwicklung eines normalen Verhaltens manche Areale neben Testosteron- auch Ústrogen-Signale benætigen. Das weibliche Geschlecht ist andererseits nicht frei von Androgenrezeptoren. Genetische oder krankhafte Stærungen des NebennierenrindenStoffwechsels kann bei Frauen dazu fçhren, dass zu hohe Konzentrationen von Testosteron in ihrem Blut erscheinen und çber die Plazentaschranke auch das werdende Kind erreichen. l

Ein zu dieser Zeit im Mutterleib herangewachsenes Mådchen mag als Folge spåter ¹boyisches`` Verhalten zeigen.

l

Fçr die Frau kann der erhæhte Testosteronspiegel auf långere Sicht Ursache fçr Hirsutismus sein: Es sprossen Barthaare, die Stimmlage senkt sich, die Klitoris wåchst. Weiteres zum Thema Sexualentwicklung und zu Stærfållen der Sexualentwicklung s. Mçller u. Hassel (2006).

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Abb. 11.16. Freisetzung der Sexualhormone durch Gonadotropine

11.5 Das Hormonsystem des Menschen III

11.5.4 Bei der Mehrzahl der Wirbeltiere gibt es zyklische Fortpflanzungsperioden; beim Menschen ist im Menstruationszyklus ein Rest erhalten Bei der Mehrzahl der Wirbeltiere ist das Fortpflanzungsgeschåft eingebunden in eine Jahresperiodik oder verlåuft doch in periodischen Schçben. Begriffe wie Brunft bezeugen, dass bei Såugern auch im månnlichen Geschlecht Perioden sexueller Aktivitåt mit Perioden der Inaktivitåt abwechseln kænnen ± in Synchronisation mit dem Zyklus, dem die potentiellen Mçtter Tribut zollen mçssen. Es wåre eine Katastrophe, wçrden die Jungen zur Unzeit zur Welt kommen. Augenfållig ist das Phånomen periodisch wiederkehrender Fortpflanzungsbereitschaft deshalb vor allem im weiblichen Geschlecht: Hitze und Låufigkeit, wissenschaftlich Ústrus genannt, kennzeichnen solche Perioden. Der Ústrus des Tieres darf indessen nicht mit der menschlichen Menstruation gleichgesetzt werden. Die Phase des Ústrus ist die Phase des Eisprungs und damit die Phase der Empfångnisbereitschaft. Ihr entspricht beim Menschen die Mittenzeit zwischen zwei Menstruationsblutungen um den 14. Zyklustag herum (Abb. 11.17). 11.5.5 Die Steuerung des Menstruationszyklus vollzieht sich auf drei Ebenen: Hypophyse, Ovar und Uterus. Rçckkoppelungsschleifen tragen zur Erzeugung einer Rhythmik bei Im Folgenden werden die Phånomene so diskutiert, wie sie fçr die Frau dargestellt werden. Es muss aber gesagt werden, dass wesentliche Aussagen aus Untersuchungen an Tieren gefolgert worden sind. Beim Menschen ist es nur mæglich, den Titer von Hormonen im Blut zu messen und mit den Werten zu vergleichen, die im Tier gemessen worden sind. Experimente beschrånken sich auf Therapieversuche. Jede Darstellung ist ein grob vereinfachendes Modell (Abb. 11.17 u. 11.18). Erste Ebene sind Hypothalamus und Hypophyse. Im Zwischenhirn wird ein Pulsgenerator

vermutet, der dafçr sorgt, dass in den ersten Tagen zu Beginn eines neuen Zyklus alle 90 min das Neurohormon Gonadotropin-releasing hormone GnRH freigesetzt wird. Dieses GnRH adressiert die Adenohypophyse, die ihrerseits FSH ins Blut entlåsst. Erfolgt dann Rçckmeldung vermittelt durch Ústradiol, schickt die Hypophyse LH nach. Zweite Ebene ist das Ovar. Unter dem Einfluss des follikelstimulierenden Hormons FSH (Follitropin) erzeugen diejenigen Follikelzellen, welche die græûte der heranreifenden Eizellen umhçllen, Ústrogene. Wichtigstes Ústrogen ist Ústradiol (estradiol), dem wir allein unsere Aufmerksamkeit widmen. Oestradiol hat zwei Wirkungen: (1) Es meldet dem Uterus, er mæge sich fçr die Aufnahme eines Embryo bereit machen, und (2) es wirkt auf die Hypophyse zurçck. Diese Rçckmeldung hat negative wie positive Effekte: Negativ ± Ústradiol hemmt mit Zeitverzægerung seine eigene Freisetzung. Die Titer von FSH und schlieûlich auch von Ústradiol selbst im Blut sinken wieder ab. Positiv ± zuvor hat Ústradiol die Hypophyse angeregt, LH freizugeben. FSH sinkt, LH steigt. Bei einem (artspezifischen) Verhåltnis FSH/LH wird der Eisprung beobachtet: Der Follikel platzt und gibt die Eizelle frei. Sie muss vom Mund des Eileiters aufgefangen werden. Das luteinisierende Hormon LH (Luteotropin) hilft, die Reste des Follikels in den Gelbkærper umzuwandeln. Der Gelbkærper produziert Gestagene mit Progesteron als dominierendem Hormon. Im Ovar selbst verhindern Ústrogene und Gestagene gemeinsam das Heranreifen konkurrierender Follikel. Dritte Ebene ist der Uterus. Der Uterus, die Gebårmutter, ist ein reagierendes Organ. Es låsst sich von Ústradiol anregen, seine Innenschicht (Endometrium) heranwachsen zu lassen (Proliferationsphase) und Drçsenschlåuche zu entwickeln, von denen beispielsweise das Hçhnerei sein ¹Eiweiûª (Eiklar) bezieht, von denen aber auch der Såugerembryo profitieren kann. Das Progesteron leitet dann die Sekretionsphase ein.

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11 Hormonale Steuerung Abb. 11.17. Regulation von Eireifung, Eisprung und Menstruation im Zyklus der Frau

11.5 Das Hormonsystem des Menschen III

Theoretisch wåre ein Modell konzipierbar, in dem Rçckkoppelungen als solche schon ein periodisch schwingendes System ergeben. Es wird aber angenommen, dass ein autonomer endogener Rhythmusgenerator im Gehirn den nåchsten Zyklus startet ± es sei denn, zuvor habe ein Keim Einhalt geboten. 11.5.6 In der Schwangerschaft muss der Keim das Kommando çbernehmen, wenn er çberleben will

Abb. 11.18. Hormonale Steuerung des Menstruationszyklus mit Rçckkoppelungsschleifen

Rçckkoppelungen und Abbruch des Zyklus. Sowohl Ústradiol wie Progesteron blockieren çber eine Rçckkoppelungsschleife mit Zeitverzægerung ihre eigene Produktion, indem sie hemmend auf das Hypothalamus-Hypophysensystem Einfluss nehmen (Abb. 11.18). Ohne FSH und LH kein Ústradiol und kein Progesteron. Ohne die Steroidhormone Ústradiol und Progesteron keine funktionstaugliche Gebårmutter. Aus welchen Grçnden auch immer das Endometrium der Gebårmutter zugrunde geht, es geht zugrunde und wird bei der Menstruationsblutung abgestoûen. Das Absinken des Ústradiol- und Progesteronspiegels gegen Ende des Zyklus ist Voraussetzung dafçr, dass ein nåchster Follikel heranreifen kann. Er wird dann seinerseits wieder die Produktion von Ústradiol aufnehmen, wenn ihn das FSH-Signal erreicht, und wird den nåchsten Konkurrenten in Schach halten.

Eine Menstruationsblutung wåre fçr den Keim, der sich in die Gebårmutter eingenistet hat, eine Katastrophe. Er muss verhindern, dass eine Blutung zustande kommt; jedenfalls in seiner nåchsten Umgebung muss das Endometrium erhalten bleiben. Der Embryo gibt Signale an die Mutter. Es treten hormonale Substanzen auf, die die Abstoûung der Gebårmutterschleimhaut im Umfeld des Embryos verhindern und dem Ovar der Mutter kundtun, dass ein weiteres Ei nicht mehr heranreifen soll. Zwei Hormone, die in diesem Zusammenhang genannt werden, sind Human-chorionic-gonadotropin HCG und Human-placental-lactogen HPL (heute auch Chorion-somato-mammo-tropin CS genannt) (Abb. 11.19). Zunåchst ist es

Abb. 11.19. Verhinderung einer Menstruation nach Einnistung eines Keims in die Uteruswand (Endometrium)

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11 Hormonale Steuerung Abb. 11.20 a, b. Schwangerschaft, Geburt und Ernåhrung des Såuglings: hormonal gesteuerte Ereignisse

der Trophoblast des Embryos (frçhe zellulåre Auûenschicht), der diese Hormone erzeugt, spåter die Plazenta, welche aus dem Trophoblasten hervorgeht. HPL/CS gleicht dem Wachstumshormon; HCG ist weitgehend strukturgleich mit LH und regt den mçtterlichen Organismus an, den Gelbkærper

zum Schwangerschaftsgelbkærper zu vergræûern und weiterhin Progesteron zu erzeugen. Progesteron seinerseits hilft, die Schwangerschaft aufrecht zu erhalten und eine neue Ovulation bis nach Abschluss der Schwangerschaft hinauszuschieben.

11.6 Das Hormonsystem der Metamorphose

Hat der Embryo eine Plazenta entwickelt, çbernimmt diese die Produktion nicht nur von HCG sondern auch von Ústradiol und Progesteron. 11.5.7 Die Pille: ein Hormon-Cocktail, auf jeden Fall ein Stoffgemisch, das in den Hormonhaushalt eingreift In der Mehrzahl der Pråparate, die der Handel bereitstellt, sind Ústrogene (Ústradiol) und Gestagene (Progesteron) nach Geheimrezepten gemischt. Diese Cocktails enthalten aber nicht nur die natçrlich vorkommenden Hormone, sondern auch Varianten, die sich der Firmenchemiker einfallen lieû. Die Funktion des Cocktails soll es sein, die Freisetzung eines Eies aus dem Ovar zu hemmen (Ovulationshemmer) oder die Einnistung eines Keims in die Gebårmutter zu verhindern (Nidationshemmer). Schlieûlich gibt es Pråparate (z. B. das Antiprogestin RU 38486), die den schon eingenisteten jungen Keim durch Auslæsen einer starken Menstruation abtreiben ( ± unter Umgehung der Gesetze?). 11.5.8 Hormone und hormonåhnlich wirkende Stoffe in unserer Umwelt bereiten Sorge und Furcht Die Substanzen der ¹Pille`` sind schwer abbaubar; sie sind in den Abwåssern der Klåranlagen, in Spuren mitunter im Grundwasser nachweisbar; ebenso trågt Hormonsubstitution nach der Menopause zur Verbreitung von Hormonen in Gewåssern bei. In Abwåssern von Klåranlagen sind vielerorts genetisch månnliche Fische verweiblicht. Weil ,Pillen` und ,Verjçngungspråparate` beliebt sind und fçr unverzichtbar gehalten werden, sind es freilich nicht diese Substanzen, die zu Alarmmeldungen Anlass gaben. Man suchte nach åhnlich wirksamen Industrieprodukten und fand sie. Sie werden von Umwelttoxikologen unter Begriffen wie Xenæstrogene und endokrine Disruptoren zusammengefasst. Es sind vielerlei Substanzen aus unterschiedlichen Quellen, die stærend in den Hormonhaushalt von Mensch und Tier

eingreifen. Nicht wenige Substanzen wirken åhnlich den månnlichen oder weiblichen Sexualhormonen, oder sie unterbrechen die Funktion der natçrlichen, endogenen Hormone. Ein ,Klassiker` ist das chlorinierte Insektizid DDT; es fçhrt zur Verweiblichung von Såugetieren. Man findet solche Substanzen in Plastik-Weichmachern (Phthalate), Klebern und Kunststoffen auf Epoxibasis (Bisphenol-A), Schiffsanstrichen (Tributyl-Zinn), Schmiermitteln (Phenyl-methyl-substituierte Siloxane) und vielen weiteren Produkten der chemischen Industrie. Allerdings hat auch die Natur mit ¹Phytestrogenenª einiges zu bieten.

11.6 Das Hormonsystem der Metamorphose Wir versagen es uns in diesem einfçhrenden Buch, auf stoffwechselsteuernde Hormone bei Wirbellosen einzugehen, auch wenn Ûberraschendes zu berichten wåre, beispielsweise dass viele ¹Wirbeltierhormoneª nachtråglich auch in Insekten gefunden wurden: l

Adiuretin, Oxytocin;

l

Endorphin, MSH;

l

Insulin und Glucagon zum Beispiel.

Es gibt jedoch ein Thema, das nicht nur fçr Zoologen von Interesse ist: die hormonale Kontrolle der Metamorphose von Insekten. Es gibt dafçr drei gute Grçnde: (1) Zum einen hatte die Hormonforschung an Insekten lange die fçhrende Pionierrolle gespielt. Ohne die mçhsame Pionierarbeit mit Tonnen von Seidenspinnern (durch A. Butenandt und P. Karlson) und ohne die penible mikroskopische Analyse von Ecdyson-behandelten Riesenchromosomen wåre die Erkenntnis, dass Steroidhormone Gene aktivieren, nicht so leicht zu gewinnen gewesen. (2) Zum Zweiten profitiert die biologische Schådlingsbekåmpfung von den Erkenntnissen der Hormonforschung. Nicht nur kçnstliche, von der chemischen Industrie entwickelte Insektizide greifen in den Hormonhaushalt der Insekten ein, sondern auch viele natçrliche, von Pflanzen zum Selbstschutz er-

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11 Hormonale Steuerung

zeugte Substanzen. (3) Schlieûlich fallen Analogien zum Hormonsystem der Vertebraten ins Auge. Sie werden im Folgenden aufgezeigt. 11.6.1 Die Metamorphose eines Frosches: Paradebeispiel eines hormongesteuerten Entwicklungsvorganges Eine Kaulquappe verwandle sich in einen Frosch (Abb. 11.21). Dem Leben im Wasser folgt ein Leben in feuchter oder gar trockener Luft. Die ækologische Nische einschlieûlich der Nahrung wird gewechselt. Die Metamorphose erfordert eine Umgestaltung auf jedem organismischen Niveau: von der åuûeren Morphologie çber die Physiologie bis zu Ønderungen in der Enzymausstattung der Zellen. Ist die Kaulquappe ausreichend herangewachsen, læsen vorçbergehender Ausfall eines Hormons und erhæhte Freisetzung eines anderen nach und nach die Metamorphose aus. Externe Signale scheinen von geringer Bedeutung zu sein, doch beginnt das Schauspiel, nachdem das Gehirn seine Erlaubnis erteilt hat. Ein Hormon der Adenohypophyse verliert vorçbergehend an Effektivitåt, aus welchen Grçnden auch immer. Es ist das Prolactin, das in der Kaulquappe die Funktion eines Juvenilhormons erfçllt und die Entwicklung zum Frosch hinausgezægert hatte. Zur Einleitung der Metamorphose setzt die Adenohypophyse das schilddrçsenstimulierende Hormon TSH frei; TSH stimuliert seinerseits die Freigabe des Schilddrçsenhormons Thyroxin. Thyroxin færdert die Expression des Thyroxin-Rezeptors (Autoinduktion) in solchen Geweben, die auf Thyroxin ansprechen sollen. Hinsichtlich der Rolle des Prolactins gibt es noch Klårungsbedarf. Zwar wird berichtet, bei verschiedenen Amphibien zægere eine Gabe von Prolactin die Metamorphose hinaus. Andererseits wird auch berichtet, die Konzentration des Prolactins im Blut nehme im Verlauf der Metamorphose nicht ab, sondern bis einem Klimaxpunkt zu, und ebenso die Bestçckung verschiedener Gewebe mit Prolactin-Rezeptoren. Dies wird mit weiteren Funktionen des Hormons in Beziehung gebracht, beispielsweise:

l Verschiedene Gewebe und Organe, die auch im kçnfti-

gen Leben auf dem Land gebraucht werden, mçssen wåhrend der langen Wochen der Metamorphose weiterhin heranwachsen. Prolactin gehært zur Familie der Wachstumshormone, und kçnftige Adultorgane reagieren anders als solche, die nicht mehr gebraucht werden. l Prolactin bereitet manche Gewebe vor, damit diese besser auf Thyroxin reagieren kænnen, und es unterstçtzt in der ersten Phase der Metamorphose Thyroxin, indem es parallel mit Thyroxin Proteasen (Collagenasen) induziert, die zum Abbau larvaler Strukturen gebraucht werden.

Auf die Ønderungen im Hormontiter reagieren die verschiedenen Gewebe und Organe hæchst unterschiedlich, je nachdem wie sie zuvor programmiert worden sind. Destruktive und konstruktive Prozesse gehen Hand in Hand und ziehen sich çber Wochen hin (Abb. 11.21). Destruktive Prozesse: l Die Kaulquappen resorbieren den Ruderschwanz. l Die Hornzåhne und Kiemen verschwinden. l Die fçr die Wahrnehmung von Wasserstræmungen zu-

ståndigen Seitenlinienorgane werden reduziert. Konstruktive Prozesse und Umwandlungen: l Extremitåten werden entwickelt, die eine Fortbewegung auch auf dem Land ermæglichen. l Die Haut wird stårker keratinisiert. l Die Lunge wird arbeitsfåhig. l Blutgefåûe werden umkonstruiert. Wenn der Frosch von der Kiemen- auf Haut- und Lungenatmung umschaltet, werden die Kiemenbogenarterien umgebaut, die Kardinalvenen durch neue Gefåûe ersetzt. l In den Erythroblasten wird durch Expression anderer Globinformen ein neues, an die Luftatmung angepasstes Håmoglobin hergestellt. l Die Leber wird in ihrer enzymatischen Ausstattung auf den Wechsel von der ammoniotelischen (Ammoniak) zur ureotelischen (Harnstoff) Stickstoffexkretion vorbereitet. l Aus der ersten Kiementasche wird eine Mittelohrhæhle, die nach auûen durch ein Trommelfell verschlossen bleibt und innen die schallleitende Columella aufnimmt. l In der Retina wird der Sehfarbstoff vom fischåhnlichen Porphyropsin (Opsin + Retinal A2) auf Rhodopsin (Opsin + Retinal A1) umgestellt, wie es Landwirbeltiere haben.

11.6 Das Hormonsystem der Metamorphose Abb. 11.21. Hormonale Kontrolle der Amphibien-Metamorphose

11.6.2 Die Metamorphose des Schmetterlings: Auf den ersten Blick gibt es zwischen Frosch und Insekt wenig Gemeinsames Die Metamorphose der Kaulquappe streckt sich çber Wochen hin und vollzieht sich graduell, ohne dass die Kaulquappe ein Ruhestadium einschæbe. Die Metamorphose des holometabolen, d. h. sich vollståndig verwandelnden, Schmetterlings hingegen vollzieht sich in zwei groûen Schçben, von der Raupe zur Puppe, von der Pup-

pe zur Imago (Abb. 11.22). Was sich unter der derben Puppencuticula an Dramatik abspielt, muss der Entwicklungsbiologe erzåhlen. Bei all diesen Unterschieden sind Analogien in der Art der hormonalen Kontrolle umso erstaunlicher. 11.6.3 Bei Insekten wie bei Wirbeltieren wird die Metamorphose mit Gehirnhormonen gestartet Sowohl die Metamorphose der Kaulquappe zum Frosch wie die Metamorphose der Schmetter-

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11 Hormonale Steuerung Abb. 11.22. Hormonale Steuerung der Metamorphose bei Insekten. ECH = Eclosionshormon; stimuliert die Freisetzung des Eclosion-Trigger-Hormons aus den epitrachealen Drçsen. PTTH = prothorakotropes Hormon; stimuliert die Freisetzung von Ecdyson aus der Prothoraxdrçse. Das Juvenilhormon entstammt den Corpora allata. Der Schmetterling ist der Sommerform des Landkårtchens, Araschnia levana, nachempfunden. Der hier gegebene schematische Ûberblick wird ergånzt durch eine detailliertere Darstellung in Abb. 11.23

lingsraupe zum Falter mçssen zur passenden Zeit in Gang kommen. Was heiût passend? Gewiss eine ausreichend fortgeschrittene Entwicklung und ein ausreichendes Wachstum. Das Wachstum ist von der Menge und Quantitåt der Nahrung abhångig. Aber auch die Tageslånge und die augenblicklich herrschende Temperatur wollen berçcksichtigt sein. Vielleicht wird deshalb die Meta-

morphose durch neurosekretorische, im Gehirn erzeugte Hormone gestartet. Beim Amphib ist es die Staffel TRH-TSH, çber die vom Gehirn die Schilddrçse angesteuert wird (Abb. 11.21); beim Schmetterling ist es das prothoracotrope Hormon PTTH, çber das die Prothoraxdrçse adressiert wird (Abb. 11.22 u. 11.23).

11.6 Das Hormonsystem der Metamorphose

Abb. 11.23. Konzentration entwicklungssteuernder Hormone in der Håmolymphe des Tabakschwårmers Manduca sexta

11.6.4 Bei Insekten wie bei Wirbeltieren kennen wir ein metamorphosefærderndes und ein metamorphosebremsendes Hormon Beim Vergleich der Abb. 11.21 mit Abb. 11.22 sollte auffallen, dass die Metamorphose durch zwei antagonistisch wirkende Hormone vorangetrieben wird. Die Zeit eines Jugendhormons, das zwar Wachstum erlaubt, aber die Weiterentwicklung zum definitiven Phånotyp (Adultus, Imago) bremst, ist nun abgelaufen. Im Insekt wird die Produktion des Juvenilhormons ganz eingestellt, im Amphib verliert Prolactin aus noch nicht bekannten Grçnden seine Effektivitåt. Beide diese Hormone werden von einer ¹Gehirnanhangsdrçseª erzeugt: l

Juvenilhormon in den Corpora allata,

l

Prolactin in der Adenohypophyse.

Dann brauchen wir ein positiv stimulierendes Hormon; beim Insekt nennen wir Ecdyson, beim Frosch Thyroxin. Beide diese Hormone sind genregulatorisch wirksam und werden von einer Drçse 2. Ordnung erzeugt: l

Ecdyson in der Prothoraxdrçse (Vorbrustdrçse),

l

Thyroxin in der Schilddrçse.

Eine weitere Parallele: im Insekt kann das wenig wirksame Ecdyson im Zielgewebe in das wirksamere 20-Hydroxy-Ecdyson (Ecdysteron) umgewandelt werden, im Vertebrat das wenig wirksame Thyroxin Tetrajodthyronin T4 in das wirksamere Trijodthyronin T3. Freilich dçrfen wir die Parallelen nicht zu weit treiben. Das Wachstum der Raupe vollzieht sich sprunghaft von Håutung zu Håutung. Die Raupe muss ihre wenig elastische Cuticula abstreifen, bevor sie sich dehnen kann. Jede Håutung wird durch eine Ecdysonspritze aus der Prothoraxdrçse eingeleitet. Ob dann wieder eine Raupencuticula, eine Puppenhçlle oder die Cuticula einer Imago hergestellt werden kann, ist zuvor schon entschieden worden auf der Basis des Titers an Juvenilhormon. Unter dem Einfluss von viel Juvenilhormon ist die Raupe nicht in der Lage, ihre Imaginalanlagen (Imaginalscheiben) so weiterzuentwickeln, dass sie sich plætzlich zur Puppe oder zum Falter mausern kænnte. Unter der alten Cuticula blieb ± von der Massenzunahme abgesehen ± alles beim Alten. Ecdyson plus Juvenilhormon macht aus der Raupe eine græûere Raupe. Ist Ecdyson allein da, låuft die Entwicklung çber die Puppe zum Falter weiter (Abb. 11.22 u. 11.23). Als ein Hormon, das Gene einschalten kann und auch die Zellteilung færdert, stimuliert Ecdyson die Weiterentwicklung der inneren Organe, den Abbau der alten Epidermis (Apolysis), das

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11 Hormonale Steuerung

Wachstum der neuen Epidermis und die Synthese der neuen (noch weichen) Cuticula. Bemerkenswerterweise taucht das Juvenilhormon im adulten Falter wieder auf. Nun wirkt es als gonadotropes Hormon und færdert die Entwicklung der Gonaden. Dies ist ein schænes Beispiel fçr Sparsamkeit in der Natur. Ein und dasselbe Signalmolekçl kann zu den unterschiedlichsten physiologischen Zwecken eingesetzt werden. Der Fachmann kennt noch weitere Insektenhormone. Am Håutungsgeschehen (Ecdysis) sind mehrere Hormone beteiligt: ein vom Gehirn erzeugtes Neuropeptid mit Namen Eclosionshormon, das Ecdysis-triggering Hormon ETH der Epitrachealdrçsen und zu guter Letzt wieder ein Neuropeptid namens Bursicon. Es induziert die Aushårtung (Sklerotisierung) und Gerbung der neuen Cuticula. Darçber hinaus sind auch bei Insekten mehrere Hormone an der Kontrolle des Stoffwechsels beteiligt, darunter wohlbekannte wie Insulin.

11.7 Genregulatorische und andere Funktionen der Steroidhormone und von Thyroxin 11.7.1 Nach gångiger Lehrmeinung diffundieren lipophile Signalsubstanzen direkt durch Zellmembranen. Es gibt Grçnde fçr Zweifel Niedermolekulare lipophile Substanzen dringen im Allgemeinen gut in Zellmembranen ein und kænnen sie auch passieren. Dies gilt beispielsweise fçr Stickstoff N2, Stickstoffoxid NO und kurze Fettsåuren. Da man fçr Steroidhormone zunåchst nur intrazellulåre Rezeptoren finden konnte, etablierte sich die Meinung, sie wçrden als lipophile Substanzen direkt in die Zelle diffundieren und erst intrazellulår von Rezeptoren aufgefangen werden. Es gibt indes Einwånde gegen diese Auffassung: l

Gewiss kænnen lipophile Substanzen ziemlich mçhelos in die Lipidschicht der Zellmembran eindringen. Warum sollten sie aber die geliebte Lipidschicht wieder verlassen und als wasserscheue Elemente ins wåssrige Cytosol eintauchen?

l

Manche Steroidhormone (z. B. Ecdysteron) und Thyroxin sind recht gut wasserlæslich.

11.6.5 Pflanzen benutzen falsche Hormone, um sich gegen Insektenfraû zu schçtzen Zwischen gefråûigen Raupen und ihrer unfreiwilligen Futterpflanze herrscht ein erbitterter Kampf, der sich schon seit Jahrmillionen hinzieht. Die Pflanze erfindet Abwehrstoffe, manche Insekten werden dagegen immun. Viele der Abwehrstoffe greifen in das Hormongeschehen ein. Die amerikanische Balsamfichte erzeugt Agonisten (Stoffe mit vergleichbarer Wirkung) zu Juvenilhormon. Die Raupen kænnen sich nicht verpuppen. Andere Pflanzen erzeugen steroidåhnliche Substanzen, die stærend in ecdysonabhångige Prozesse eingreifen. Besonders viele solche Pseudoecdysone produziert der indische Neembaum Azadirachta. Man nennt sie kollektiv Azadirachtine. Sie werden fçr eine biologische Schådlingsbekåmpfung aufbereitet. Nichtsteroidale Håutungshormon-Antagonisten stellen nicht nur Pflanzen, sondern auch die chemische Industrie her (z. B. Acylhydrazin-Derivate).

Im Falle der Retinsåure sind Rezeptoren identifiziert worden, die zwar im Cytosol vorråtig vorliegen, aber an die Membran andocken kænnen, um die Retinsåure abzuholen. Fçr andere lipophile Substanzen (Eicosanoide) hat man mittlerweile membranståndige Rezeptoren identifizieren kænnen. Die Frage, wie Steroidhormone und gar das hydrophile Thyroxin in die Zelle hineingelangen, ist offen. Neuste Forschung findet nun, dass Steroidhormone ± namentlich Sexualhormone und Vitamin D-Hormon ± von Membran-assoziierten Rezeptoren aufgefangen und per Endocytose ins Zellinnere gelangen (Hammes et al. 2005). Ob dies fçr alle Steroidhormone zutrifft, muss weitere Forschung herausfinden.

11.7 Genregulatorische und andere Funktionen der Steroidhormone und von Thyroxin

Abb. 11.24. Hormonal induzierte Genaktivierung çber Rezeptoren, die der Steroidhormon-Rezeptor-Familie angehæren. Die ligandenbeladenen Rezeptoren werden zu Transkriptions-

faktoren und bilden an den Steuerregionen (Enhancer, Promotoren) der von ihnen kontrollierten Gene Homodimere oder Heterodimere

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11 Hormonale Steuerung

11.7.2 Thyroxin und Steroidhormone binden an Rezeptoren, die zur gleichen Proteinfamilie gehæren und eine DNA-Bindungsdomåne haben Als fçr Steroidhormone ein einheitlicher, intrazellulårer Wirkungsmechanismus gefunden wurde, erstaunte dies nicht. Schon die Entdecker des Ecdysons hatten im Mikroskop gesehen, wie an den Riesenchromosomen von Drosophila und von anderen Dipteren (Zweiflçgler: Fliegen, Mçcken, Schnaken) unter der Einwirkung von Ecdyson als Ausdruck einer Genaktivierung ¹puffsª auftraten. Die gegenwårtige Molekularbiologie hat jedoch gefunden, dass auch Thyroxin, Vitamin D3 und Vitamin-A-Såure (Retinsåure) sich desselben Typs von Rezeptoren bedienen. Sie gehæren allesamt zur steroid hormone superfamily. Alle diese biologischen Wirksubstanzen, die ihre ganz groûe Starrolle in der Embryonalentwicklung spielen dçrfen, binden an intrazellulåre Rezeptoren, die alsdann zu genregulatorischen Transkriptionsfaktoren werden. Die Rezeptoren liegen im Cytosol bereit, inaktiviert durch gebundenes ¹Hitzeschockproteinª Hsp90 (Abb. 11.24). Hsp90 kann gegen ein Hormon als Liganden ausgetauscht werden. Haben die Rezeptoren einen hormonalen Liganden gefunden, werden sie in den Kernraum eingelassen. Hier suchen sie mit ihrer DNA-Bindungsdomåne die Promotor- bzw. Enhancer-Region der Gene auf, die unter ihrer Herrschaft stehen. Die exakte Binderegion an der DNA heiût Hormone-responsive-element HRE. Am HRE bilden je zwei Rezep-

toren ein Dimer, dabei kann der eine Partner beispielsweise Thyroxin, der andere Cortisol enthalten. In diesem Fall wçrde also das Gen nur eingeschaltet, wenn beide Hormone, Thyroxin und Cortisol, gemeinsam die Zielzelle erreichen. Man kann sich vorstellen, dass durch solche Kombinatorik die Regulierbarkeit von Genen recht vielfåltig und von Zelle zu Zelle verschieden sein kann. Es kommt hinzu, dass an die Rezeptor-Dimere weitere Transkriptionsfaktoren ankoppeln kænnen, die die Aktivitåt des Komplexes erhæhen oder herabsetzen. 11.7.3 Nicht alle Wirkungen der Steroidhormone basieren auf Genaktivierung Manche Hormonwirkungen sind so rasch, dass fçr vorausgehende Genaktivierung gar keine Zeit ist. In die Membran eindringendes Aldosteron beispielsweise nimmt auf den Wassertransport in den Nierenkanålchen direkten Einfluss. Es dringt in die Membranen der Zellen, die den Harnsammelkanal aufbauen, ein, schwimmt an Membrankanåle heran, dockt an und beeinflusst ihren Úffnungszustand. Andere Steroidhormone wirken çber membranståndige Rezeptoren (Spindler 1997, S. 64±70). Damit sind wir bei einer Art Signaltransduktion angekommen. Achtung! Das Thema Hormonsystem ist damit noch nicht zuende. Auch die Kapitel 12 und 13 gehæren dazu!

11.7 Genregulatorische und andere Funktionen der Steroidhormone und von Thyroxin

Zusammenfassung des Kapitels 11 Definitionen, Begriffe: Hormone (endokrine Substanzen) sind Signalsubstanzen, die çber den Kreislauf ± dem Rundfunk vergleichbar ± im ganzen Organismus verbreitet werden oder sich doch in græûeren Bezirken ausbreiten und zahlreiche Zellen erreichen kænnen, sofern diese Rezeptoren zum Empfang der Signale besitzen. Die Reaktionen der Zellen sind jedoch vorprogrammiert, weshalb verschiedene Zelltypen auf ein und dasselbe hormonale Signal verschieden reagieren kænnen. Nach der Quelle eines Hormons, dem Signalweg, seiner Reichweite und den Empfångern unterscheidet man: l

endokrine Steuerung mittels klassischer ¹glandulårerª Hormone, die von speziellen Hormondrçsen erzeugt und çber den Kreislauf global an zahlreiche Empfånger verteilt werden;

l

aglandulåre ¹Gewebsªhormone (Cytokine, Mediatoren); sie werden von verstreuten Zellen erzeugt und erreichen ?als endokrine Signale çber den Kreislauf ebenfalls viele Empfånger, ?als parakrine Signale nur ihre Nachbarschaft, oder wirken ?als autokrine Signale auf die hormonbildende Zelle selbst zurçck. Oftmals sind die Quellen aglandulårer Hormone neuroendokrine Zellen;

l

neuroendokrine Steuerung çber Neurohormone. Nervenzellen (neurosekretorische Zellen) geben an ihren terminalen Synapsen Neuropeptide oder Transmitter-åhnliche Substanzen in Zellzwischenråume und Blutkapillaren ab. Låsst sich der Ort der Freisetzung als Organ eingrenzen, spricht man von Neurohåmalorgan (z. B. Neurohypophyse, Corpora allata der Insekten);

l

glandotrop sind Hormone, welche die Aktivitåt anderer Hormondrçsen steuern.

l

gonadotrop sind glandotrope Hormone, die speziell die Gonaden beeinflussen.

In aller Regel wirken Hormone im Sinne eines negativen feedback auf ihre Quelle zurçck und begrenzen so Signalstårke und Signaldauer. Organisation des Hormonsystems. Hormonsysteme sind generell hierarchisch gegliedert und unterstehen dem Nervensystem. So steuert im Wirbeltier der (1) Hypothalamus des Diencephalon çber seine Neurohormone die (2) Adenohypophyse, die ihrerseits als Hormondrçse I. Ordnung çber ihre glandotropen Hormone mehrere (3) Hormondrçsen II. Ordnung wie Schilddrçse, Nebennierenrinde und Gonaden ansteuert. Eine parallele hierarchische Gliederung ist im Insekt (und wohl in allen Tieren) verwirklicht. Chemische Natur. Man findet folgende Klassen: l

Proteine/Peptide: Neurohormone des Hypothalamus (inklusive Oxytocin, Vasopressin = ADH), alle Hormone der Hypophyse (z. B. Wachstumshormon, Prolactin, ACTH, FSH, LH), der Nebenschilddrçse (Calcitonin, Parathyrin), der Langerhans-Inseln im Pankreas (Insulin, Glukagon) und des MagenDarm-Traktes. Diese Hormone werden in der Regel enzymatisch aus græûeren Prohormonen herausgeschnitten.

l

Steroide: Hormone der Nebennierenrinde (Cortisol, Aldosteron), Sexualhormone der Gonaden (< Testosteron, , Ústradiol, Progesteron). Ecdyson der Arthropoden. Den Steroiden in Struktur und Wirkung åhnlich: Calciferol mit Cholecalciferol (= Vitamin D3) und Ergocalciferol (= Vitamin D2) als Komponenten.

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11 Hormonale Steuerung

l

Aminosåuren-Derivate: Von Tyrosin abgeleitet: Adrenalin des Nebennierenmarks, Thyroxin der Schilddrçse; von Tryptophan abgeleitet: Melatonin der Epiphyse.

l

Arachidonsåure-Derivate: Prostaglandine, Leukotriene u. a. ¹Gewebshormoneª

l

Sonstige: Juvenilhormon der Insekten, ein Terpenoid; Stickstoffmonoxid NO.

Rezeptoren, Signaltransduktion. Die molekularen Rezeptoren fçr Hormone der Protein/ Peptid- und der Aminosåure-Klasse sind durchweg membranståndig. Ihnen ist eine Signaltransduktionskaskade angeschlossen; Glukagon beispielsweise wirkt çber ein cAMPPKA-System, Wachstumshormon çber ein PIPKC-System, die Insulin-Rezeptoren gehæren zur Klasse der Tyrosinkinasen. Fçr Steroidhormone und Thyroxin sind cytoplasmatische Rezeptoren bekannt, die Ligand-beladen zu nukleåren Transkriptionsfaktoren werden. Fçr manche Steroidhormone (Aldosteron) existieren auch membranståndige Rezeptoren. Stichworte zu den Hormonen des Hypothalamus und der Hypophyse I.

Hypothalamus: Im ZNS selbst wirkende Neurohormone: Endorphine (Opioide): b-Endorphine, Enkephaline, Dynorphine.

II. Neurohormone des Hypothalamus, welche çber die Neurohypophyse in die Blutbahn freigesetzt werden: Oxytocin (Auslæsung von Wehen, Milchsekretion), Adiuretisches Hormon ADH = Vasopressin: Wasserrçckresorption in der Niere. III. Neurohormone der Hypophyse zur Steuerung der Adenohypophyse: Releasing-Hormone wie Gonadoliberin GnRH, Inhibine IV. Hormone der Adenohypophyse: (1) Wachstumshormon GH, (2) Somatostatin, (3) Prolactin: Milchdrçsenwachstum,

Umsorgen des Nachwuchses bei , und <; (4) vom POMC-Gen codiert: Endorphine, MSH, Adrenocorticotropes Hormon ACTH, mittels dessen die Nebennierenrinde angesteuert wird; (5) TSH (Thyreotropin) zur Kontrolle der Schilddrçse; (6) Follikel-stimulierendes Hormon FSH (Follitropin) und luteinisierendes Hormon LH zur Steuerung von Ovar und Hoden, die ihrerseits Sexualhormone liefern. Hormone der sekundåren Hormondrçsen: I. Bereich Stoffwechsel, Energiehaushalt 1. Schilddrçse (Thyreoidea): Jodhaltiges Thyroxin (T3, T4): Intensivierung des Energiestoffwechsels, Wachstum, Metamorphose der Amphibien, Mauser der Vægel 2. Pankreas-Langerhans-Inseln b-Zellen: Insulin: Glucose-Aufnahme aus Blut durch Verbraucher (z. B. Muskeln) und Speicherzellen (Hepatocyten, Adipocyten); dadurch Senkung des Blutzuckerspiegels a-Zellen: Glucagon: Glucose- und Fettsåurenfreisetzung aus den Speichern; dadurch Anstieg des Blutzuckerspiegels; Stimulierung der Gluconeogenese Diabetes mellitus bei Insulinmangel (Diabetes Typ I) oder mangelhafter Reaktion auf Insulin (Diabetes Typ II). 3. Leber: Somatomedine mit Insulin-like Growth Factor: Blutzucker-senkende und Wachstums-færdernde Wirkungen 4. Adipocyten: Leptin: Stop des Fetteinbaus 5. Magen-Darm-Trakt und ZNS: Ghrelin, diverse Gewebs- und Neurohormone: Regelung der Nahrungszufuhr çber Hungerund Såttigungszentrum des Hypothalamus. II. Stress, Blutdruck, Wirkungen auf Blutfunktionen 1. Nebennierenmark: Adrenalin: Alarm, Leistungsbereitschaft, Unterstçtzung des Sympathicus, Blutdrucksteigerung, Mobilisierung von Glucose

11.7 Genregulatorische und andere Funktionen der Steroidhormone und von Thyroxin

2. Nebennierenrinde: Cortisol, Cortison (= Glucocorticoide): Morgendliche Vorbereitung auf den Tag, Stressbewåltigung, Stimulierung der Gluconeogenese; Unterdrçckung von Entzçndungen und Immunreaktionen 3. Niere: Start des Renin-Angiotensin-Systems: Blutdrucksteigerung, Erythropoetin: Vermehrte Bildung von Erythrocyten III. Ionen- und Wasserhaushalt: 1. Neurohypophyse: Antidiuretisches Hormon ADH (Vasopressin): Wasserrçckfçhrung aus Primårharn ins Blut in der Niere 2. Nebennierenrinde: Aldosteron (= Mineralocorticoid): Regelung von Wasser- und Ionenhaushalt çber die Niere 3. Nebenschilddrçsen (Parathyreoidea): Parathyrin PTH: Ca2+ ins Blut 4. C-Zellen (= Ultimobranchialkærper) der Schilddrçse: Calcitonin: Ca2+ in Knochen 5. Haut, Leber, Niere: Cholecalciferol = Vitamin D3, Ergocalciferol = Vitamin D2: Ca2+Haushalt, diverse weitere Wirkungen. IV. Sexualentwicklung, Menstruationszyklus, Schwangerschaft, Geburt 1. Hypophyse. Gonadotropine FSH und LH steuern Produktion und Freigabe von Sexualhormonen in der Pubertåt von , und <, und im , Menstruationszyklus 2. Hoden: Testosteron: Entwicklung zu <, < Verhaltensprådisposition 3. Ovar: Ústradiol und Progesteron: Entwicklung zu ,, Steuerung des Menstruationszyklus (Abb. 11.17 u. 11.18). 4. Embryo, Plazenta: Bildung von Human chorionic gonadotropine HCG und Human Placental Lactogen HPL, Ústradiol und Progesteron: Halten Schwangerschaft aufrecht, stoppen weitere Ovulation. Pille imitiert dies.

5. Mutter bei und nach der Geburt: Prolactin der Adenohypophyse stimuliert Wachstum der Milchdrçsen, Oxytocin der Neurohypophyse læst Wehen aus und stimuliert Sekretion der Milch. Xenæstrogene, in das Hormonsystem eingreifende Fremdsubstanzen, kænnen Sexualentwicklung vieler Tiere und des Menschen stæren. V. Hormonale Kontrolle der Metamorphose bei Amphibien und Insekten Amphib: Prolactin verhindert vorzeitige Metamorphose (umstritten); Thyroxin treibt Metamorphose voran. Insekt: Juvenilhormon verhindert vorzeitige Metamorphose; Ecdyson treibt sie voran. Weiter an der Steuerung beteiligt: Eclosionshormon, Ecdysis-triggering Hormon, Bursicon. Pflanzen wehren sich gegen Insektenfraû durch sekundåre Pflanzenstoffe, die stærend in die hormonale Regulation eingreifen (z. B. durch Juvenilhormon-Analoga). Abschlieûend wird darauf hingewiesen, dass die genregulatorischen Wirkungen der Steroidhormone einschlieûlich des Ecdysons der Insekten sowie von Thyroxin und weiteren Signalsubstanzen wie Retinsåure durch cytoplasmatische/nukleåre Rezeptoren der gleichen Zinkfinger-Proteinfamilie vermittelt werden (Abb. 11.24). Es wird andererseits darauf hingewiesen, dass manche schnellen Wirkungen der Steroidhormone çber membranståndige Rezeptoren ausgelæst werden. Weiteres zu Signaltransduktion folgt im Kap. 12; weitere Hormone kommen im Kap. 13 zur Sprache.

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12 Signaltransduktion und Signalpropagation

12.1 Signaltransduktion: Die Umcodierung einer externen Botschaft in zellinterne Signale Zu den Grundeigenschaften des Lebens gehært die ¹Reizbarkeitª, d. h. die Fåhigkeit, externe Signale aufzunehmen und zweckgerichtet auf sie zu reagieren. Die Mehrzahl der Signale, auf die Zellen mit spezifischen Antworten reagieren, werden chemisch durch Botenstoffe vermittelt. Auch zur Nachrichtençbermittlung im Kærper selbst und bei der Kommunikation zwischen benachbarten Zellen und Gewebsprovinzen werden zahlreiche chemische Signale ausgesandt und empfangen. Ob eine Signalsubstanz Hormon, Neurotransmitter, Wachstumsfaktor, Induktionssubstanz oder sonstwie benannt wird, ist unerheblich: Stets muss das Signal, der primåre Botenstoff (messenger), mittels eines molekularen Rezeptors (Abb. 12.1) aufgefangen werden. Alsdann muss das Zellinnere benachrichtigt werden. 12.1.1 Signaltransduktion ist die Weiterleitung einer Botschaft çber die Zellmembran hinweg ins Zellinnere Wåhrend Signaltransmission die Weitergabe einer Botschaft an benachbarte Zellen ist, im typischen Fall çber nervale Leitungen und Synapsen, ist Signaltransduktion die Weitergabe eines Signals çber eine Zellmembran hinweg ins Zellinnere. Bei dieser Weiterleitung wird das Signal in einen oder mehrere Botenstoffe (second messenger) umcodiert, dabei verstårkt und zu verschiedenen intrazellulåren Zielen geleitet.

Da oftmals ein und dieselbe Zelle auf verschiedene Signale ansprechen muss, und je nach Signal unterschiedlich reagieren sollte, gibt es in jeder Zelle mehrere Transduktionssysteme. Diese sind innerhalb der Zelle miteinander vernetzt, sodass ein groûes Spektrum an Reaktionsmæglichkeiten eræffnet wird. In diesem einfçhrenden Buch mçssen wir uns auf Systeme beschrånken, die in der Forschung das meiste Interesse gefunden haben. Sie werden vereinfacht wiedergegeben. 12.1.2 Bei der intrazellulåren Verstårkung und Verteilung der Botschaft und ihrer Beantwortung spielen Proteinkinasen eine zentrale Rolle Bei allen Transduktionssystemen, so unterschiedlich sie auch sonst sein mægen, spielen Proteinkinasen eine zentrale Rolle. Eine Kinase ist definitionsgemåû ein Enzym, das Phosphat von ATP abkoppelt und auf eine andere Substanz (¹Substratª) çbertrågt. Durch das Anheften von Phosphat wird das Substrat phosphoryliert (Abb. 12.2). Proteinkinasen (PK's) sind Enzyme, die Phosphat an Proteine ankoppeln. Das geht freilich nicht an beliebigen Stellen. Als Andockstellen kommen drei Aminosåuren in Betracht, die eine Hydroxylgruppe (-OH) tragen: Tyrosin (Tyr), Serin (Ser) und Threonin (Thr). Funktionell gliedern sich die Kinasen in zwei Hauptgruppen: die einen suchen sich irgendwelche Tyr als Opfer aus, die anderen sind auf Ser und Thr spezialisiert. Dabei werden aber keineswegs alle im Protein vorkommenden Tyr, Ser oder Thr mit Phosphat beladen. Jede Kinase sucht sich bestimmte Positionen aus. Sowohl PKA (Abb. 12.3) als auch PKC (Abb. 12.4) phosphorylieren an Ser und Thr,

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12 Signaltransduktion und Signalpropagation

Abb. 12.1. Rezeptortypen. Auswahl. Auch Kanåle kænnen Rezeptoren sein (ligandengesteuerte Kanåle)

doch sucht sich jede Kinase Akzeptoren an anderen Stellen des Proteins aus. Welche Konsequenz hat eine Phosphorylierung? Primår hat das Ankoppeln von Phosphat zwei Konsequenzen: l

Konformationsånderung: die råumliche Struktur des Proteins veråndert sich;

l

elektrische Aufladung: das Protein erhålt eine zusåtzliche, stark negative Ladung.

Die sekundåren Konsequenzen sind: l

Enzyme werden aktiviert oder blockiert,

l

Ionenkanåle werden geæffnet oder geschlossen,

l

Proteine, z. B. des Cytoskeletts, kænnen mit anderen aggregieren oder sie læsen sich voneinander,

l

Transkriptionsfaktoren kænnen an die Promotoren von Genen anheften oder sie læsen sich von der DNA.

12.2 Wichtige Transduktionssysteme

12.2 Wichtige Transduktionssysteme Wenn im Folgenden verschiedene Hormone oder Transmitter nicht nur einem, sondern zwei oder mehreren verschiedenen Transduktionssystemen zugeordnet werden, so deshalb, weil die Angaben in der Literatur unterschiedlich sind. Und die Angaben dçrften oftmals deshalb unterschiedlich sein, weil unterschiedliche Zielzellen untersucht worden sind. Oder es geht um unterschiedliche Funktionen, z. B. Zellteilung oder Zelldifferenzierung, Synthese eines Hormons oder dessen Freisetzung. In diesem åuûerst komplexen Geschehen ist auch vieles noch unklar.

12.2.1 Das cAMP-PKA-System ist das am långsten bekannte und es ist eines, bei dem die vielgenannten G-Proteine involviert sind Das cAMP-PKA-System (s. Abb. 12.3), einstmals von Sutherland am Beispiel der Glucagon-Wirkung entdeckt, ist in der Zielzelle zuståndig fçr

Abb. 12.2. Proteinkinasen: Phosphorylierung von Aminosåuren in einem Modellpeptid. Phosphatgruppe einmal detailliert, fçnfmal, wie çblich, abgekçrzt als eingekreistes P angezeigt

Phosphorylierung ist eine håufige Form einer posttranslationalen Modifikation. Damit ist gemeint, dass ein Protein nach seiner Herstellung am Ribosom nachtråglich mit Hilfe von Enzymen veråndert wird. Es gibt noch andere posttranslationale Verånderungen. Bei Proteinen, die nach auûen schauen, wie dies membranståndige Rezeptoren tun, werden oft Zucker aufgepropft (Glykosylierung) oder es werden Fettsåuren angehångt (Myristylierung u.a.), die es mæglich machen, Proteine (vorçbergehend) in Membranen zu verankern.

l

Glucagon,

l

Adrenalin, sofern es von a2- oder b-Rezeptoren aufgefangen wird,

l

die gonadotropen Hormone FSH und LH,

l

Prolactin (hier ist allerdings oftmals das PIPKC-System involviert).

Der Ligand (das Signalmolekçl) bindet an den Rezeptor. Dieser ist im Regelfall ein Serpentin-Protein, das siebenmal die Membran durchspannt (hepta-helikaler Rezeptor). Hat der Rezeptor ein Signalmolekçl als ¹Ligandenª eingefangen, betåtigt er einen Schalter: er aktiviert ein aus drei Komponenten zusammengesetztes (trimeres) G-Protein. Dieses wiederum (genauer eine Untereinheit dieses G-Proteins) schaltet eine benachbarte Adenylatcyclase ein. Diese erzeugt nun aus ATP cyclisches Adenosinmonophosphat cAMP, und dieses cAMP ist der zweite Botenstoff (second messenger), der in die Zelle abdiffundiert. Primårer Botenstoff (first messenger) war das externe Signal gewesen. Der zweite Bote findet beim Umherschweifen im Cytosol der Zelle einen Kinase-

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12 Signaltransduktion und Signalpropagation

Abb. 12.3. Das cAMP-PKA-Signaltransduktionssystem. Second messenger ist cAMP, das an die regulatorische Untereinheit der noch inaktiven Proteinkinase A bindet, woraufhin die katalytische PKA-Einheit frei und aktiv wird

komplex vor, dessen Hånde noch gebunden sind. Die Kinase liegt im Komplex als Dimer vor, d. h. in doppelter Ausfçhrung. Der Bote cAMP befreit die Kinase-Zwillinge. cAMP bindet an die regulatorische Untereinheit des Gesamtkomplexes, die alsdann abgesprengt wird. Die zwei katalytischen Untereinheiten werden als Proteinkinase A, PKA, frei (Abb. 12.3). PKA phosphoryliert zahlreiche Substrate, aktiviert Enzyme, veråndert vielleicht den Úffnungs-

zustand von Ionenkanålen, phosphoryliert Transkriptionsfaktoren, die alsdann an Steuerelemente der DNA (CREB-Elemente in diesem Fall) anheften. Was im Einzelnen geschieht, ist von Zelltyp zu Zelltyp verschieden. In der Leberzelle, die durch die Hormone Glucagon oder Adrenalin stimuliert wird, werden all jene Enzyme aktiviert, die benætigt werden, um aus dem Energiespeicher Glykogen die Glucose freizusetzen und als Blutzucker in den Kreislauf zu schleusen.

12.2 Wichtige Transduktionssysteme

Die Anfangswege bis zur Aktivierung der PKA sind in allen Zellen, die mit dem cAMP-System operieren, weitgehend gleich. Dieser Anfangsteil der Transduktionskaskade enthålt bereits einen Mechanismus der Verstårkung. Wird auch nur ein Signalmolekçl eingefangen, kann der aktivierte Rezeptor viele (einige Hundert) G-Proteine aktivieren. Jedes stimulierte G-Protein kann mehrere Adenylatcyclasen aktivieren, und jede aktivierte Adenylatcyclase synthetisiert wiederum viele cAMP-Molekçle. Jedes einzelne Molekçl in dieser Reihe vervielfacht so lawinenartig die Zahl der definitiven Signalmolekçle ± man spricht von einer Signaltransduktionskaskade, bei der ein einziges Hormonmolekçl letztlich die Synthese von Hunderttausenden von cAMP-Molekçlen bewirken kann. Eine zusåtzliche Verstårkung kann PKA leisten; denn als katalytisch wirksames Enzym wird es bei seiner Arbeit nicht aufgebraucht. PKA kann seinerseits durch Phosphorylierung weitere Kinasen veranlassen, aktiv zu werden. Aus dem externen Signal wird ein internes Signalfeuerwerk, an dem sich schlieûlich auch noch Calcium-Ionen beteiligen kænnen. Vielfach kommt es zu Calcium-Oszillationen, indem Calcium çber Calciumkanåle der Zellmembran oder des Endoplasmatischen Reticulums in rhythmischen Schçben ins Zellinnere einstræmt. Dieses Aufflackern der intrazellulåren Calciumsignale zeigt, dass die Zelle erregt (stimuliert) ist. 12.2.2 Das PI-PKC-System ist komplexer und noch flexibler Das PI-PKC-System (Abb. 12.4) ist zuståndig z. B. fçr l

das Wachstumshormon und Prolactin (bei verschiedenen Zelltypen, die zur Teilung und Vermehrung angeregt werden);

l

Adiuretin (ADH, Vasopressin);

l

TSH-releasing-Hormon;

l

Adrenalin, wenn a1-Rezeptoren betroffen sind;

l

Acetylcholin an der ¹muscarinischenª Synapse (die man beispielsweise an glatten Muskelfasern findet);

l

Stimulation von Immunzellen durch Antigene, speziell Stimulation der T-Zellen;

l

Stimulation der Blutplåttchen durch Thrombin;

l

Aktivierung einer Eizelle bei der Befruchtung.

Der Ligand bindet an den Rezeptor. Wieder wird der G-Proteinschalter betåtigt, doch nun ist es nicht eine Adenylatcyclase, sondern eine Phospholipase C (PLC), die çber die Ankunft eines externen Signals instruiert wird. Die PLC sucht ihr Substrat unter den Phospholipiden der Zellmembran. Dort findet sie die gesuchte seltene Spezies mit dem schier unaussprechlichen Namen Phosphatidylinositolbisphosphat. Wir kçrzen ab zu PIP2. Angeschubst vom G-Protein spaltet die PLC das PIP2 in zwei Komponenten, die beide als second messenger gelten: 1. Inositoltrisphosphat IP3. Inositol ist ein ringfærmiger Polyalkohol (und kein Zucker!) mit sechs Hydroxyl-(-OH)-Gruppen. An dreien der (ursprçnglichen) Hydroxylgruppen hångt Phosphat. Wenn das kein hydrophiles Molekçl ist! ± und elektrisch negativ geladen ist es dazu. IP3 diffundiert blitzartig in der Zelle herum und findet Rezeptoren, die auf dem Endoplasmatischen Reticulum schon auf IP3 warten. Der Rezeptor ist zugleich Calciumkanal. Bindung von IP3 ± der Kanal springt auf, und Calciumionen stræmen aus dem ER ins Cytosol. Sinnreiche Regelmechanismen (positive und negative Rçckkoppelungen) sorgen dafçr, dass es åhnlich wie in den cAMP-stimulierten Zellen zu Oszillationen im cytosolischen Calciumspiegel kommt. 2. Diacylglycerol (DAG, Diacyl = zwei Fettsåuren; an Glycerol esterartig gebunden). DAG verbleibt in der Membran. Weiteres DAG kann einige Sekunden oder Minuten spåter aus einer anderen Quelle, dem Phosphatidylcholin PC freigesetzt werden (mittels anderer Phospholipasen). DAG wird von einer latenten Proteinki-

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12 Signaltransduktion und Signalpropagation

Abb. 12.4. Das PI-PKC-Signaltransduktionssystem. Nach dem Empfang des externen Signals, z. B. des Wachstumshormons Somatotropin, wird das Membran-Lipid PIP2 in die second messenger IP3 und DAG gespalten. IP3 setzt seinerseits den im ER gespeicherten third messenger Ca2+ frei. Die parallele Freisetzung von Diacylglycerol (DAG) aus Phosphatidylcholin ist der Ûbersichtlichkeit willen nicht eingezeichnet. Aus DAG

wird oft am Ende Arachidonsåure freigesetzt, die enzymatisch in eine Vielzahl von Eicosanoiden umgewandelt werden kann. Arachidonsåure und ihre Derivate fungieren als weitere intrazellulåre Second-messenger oder werden als parakrine Hormone aus der Zelle ausgeschleust. Ein PI-PKC-System kann auch in der Kernmembran gefunden werden

12.2 Wichtige Transduktionssysteme

nase ± Proteinkinase C (PKC) ± erspåht und aufgesucht. Die Kinase dockt an die Membran an und wird in Nachbarschaft zum DAG zur aktiven PKC. (Dabei hilft bei manchen PKCFormen auch Calcium, das vom IP3 aus dem ER freigesetzt worden ist.)

l

Der eine Weg fçhrt zu der bekanntesten Insulinwirkung: Es kommt am Ende zum vermehrten Einstrom von Glucose in die Zelle. Vermittelt wird die Wirkung durch eine PI-3-Kinase (Phosphatidyl-inositol-3-Kinase) und eine Phospholipase D, an die sich verzweigte Signalkaskaden anschlieûen. Es werden Vesikel mit Glucosetransportern des Typs GLUT-4 aus dem ER-Golgi-Komplex rekrutiert, die GLUT4-Transporter werden in die Zellmembran eingebaut und geæffnet. Glucose stræmt leichter in die Zelle ein, und als Folge sinkt der Blutzuckerspiegel. Insulin ist jedoch nicht bloû ein ¹blutzuckersenkendes Hormonª. Die insulinadressierten Zellen holen auch Aminosåuren herein.

l

Ein anderer Weg fçhrt vom Rezeptor çber eine Phospholipase Cc. Enthålt dann die Zelle noch PIP2 und PKC, kann çber Insulin auf anderem als dem bekannten klassischen Weg (wie er in Abb. 12.4 gezeigt wird) auch das PI-PKC-System eingeschaltet werden: Insulin ? Rezeptor ? PLCc ? DAG + IP3. Mutmaûlich wird dieser Weg aktiviert, wenn Insulin die Rolle eines Wachstumsfaktors einnimmt. Im Embryo låsst sich Insulin schon nachweisen, bevor das Pankreas mit den Langerhans'schen Inseln entwickelt ist. Insulinåhnliche Wachstumsfaktoren begleiten und færdern das Wachstum auch noch nach der Geburt.

Auch die PKC (von der beim Såuger 11 Isoformen bekannt sind) kennt viele Substrate, phosphoryliert Ionenkanåle, macht sich am Cytoskelett zu schaffen, phosphoryliert Transkriptionsfaktoren. Ein PI-PKC-System gibt es auch in der Kernmembran. Zellforscher diskutieren viele Hypothesen, was dieses System dort soll. Eine Aktivierung der PKC kann auch auf anderem Weg erreicht werden, so beispielsweise çber den nachfolgend vorgestellten Insulinrezeptor. 12.2.3 Der Insulinrezeptor ist das Paradebeispiel fçr einen Transmembran-Tyrosinkinase-Rezeptor Transmembran-Kinasen (Abb. 12.5), speziell Transmembran-Tyrosinkinasen, sind zuståndig z. B. fçr l

Insulin,

l

viele ¹Wachstumsfaktorenª wie Insulin-likegrowth-factor IGF (= Somatomedine) und Epidermal-growth-factor EGF.

Der Ligand bindet an den dimeren Rezeptor. Der ragt durch die Membran hindurch und hat auf seinem intrazellulåren Teil eine Domåne mit eigener Tyrosinkinasefunktion. Der Rezeptor braucht sich keinen Partner zu suchen, er hat ihn schon: seinen Zwillingsbruder. Die beiden aneinanderhångenden Tyrosinkinasen des Rezeptor-Dimers phosphorylieren sich wechselseitig (Autophosphorylierung). Nun wird es unçbersichtlich. An die phosphorylierten Tyrosinkinasen hången sich allerlei Proteine dran; in dieser Zelle diese, in jener Zelle jene. Gegenwårtig richtet sich die Aufmerksamkeit der Biochemiker und Physiologen auf zwei Signalwege:

Es gibt auûer Transmembran-Tyrosinkinasen auch Transmembran-Serin/Threonin-Kinasen, die fçr andere, ebenfalls der Steuerung des Wachstums und der Differenzierung dienende ¹Wachstumsfaktorenª zuståndig sind. Beispiel: Transforming-growth-factor TGF-b, ein Faktor, der einige Tumore zum Wachsen bringt. Eine Ûbersicht çber dieses und weitere Signaltransduktionssysteme findet sich in Mçller u. Hassel: Entwicklungsbiologie, 4. Aufl. 2006.

12.2.4 Calcium-Ionen als intrazellulåre Messenger und Auslæser wellenfærmiger Lichtemissionen Ob cAMP-System, ob PI-PKC-System oder Transmembrankinasen, fast immer ist auch Calcium im Spiel. Die cytosolische Calcium-Konzentration in

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12 Signaltransduktion und Signalpropagation

der nichtstimulierten Zelle ist sehr gering (10±7 M oder darunter). Calcium kann ins Cytosol schlagartig çber plætzlich geæffnete Kanåle der åuûeren Membran eindringen oder aus intrazellulåren Speichern freigesetzt werden. Ein solcher intrazellulårer Speicher ist das Endoplasmatische Reticulum (ER). Es gibt mindestens vier Mæglichkeiten, wie Calcium-Kanåle geæffnet werden kænnen: l

durch Phosphorylierung der Kanåle;

l

Freisetzung mittels IP3, das Kanåle des ER æffnet, wie in Abb. 12.4 gezeigt;

Abb. 12.5. Der Insulinrezeptor als Beispiel eines Transmembran-Tyrosin-Kinase-Rezeptors. Die Ereignisse im Zellinneren sind im Einzelnen von Zelltyp zu Zelltyp verschieden.

l

Úffnung der Kanåle in einer positiven Rçckkoppelungsschleife mittels Calcium-Ionen selbst: Ca2+ setzt Ca2+ frei;

l

Freisetzung mittels einer elektrischen Spannung. Spannungsgesteuerten Calcium-Kanålen begegnen wir in den Kapiteln 14 und 15.

Bemerkenswert ist, dass zweite Botensubstanzen stets in kurzen Pulsen ins Cytosol entlassen werden, oftmals in mehreren Pulsen nacheinander. Am besten untersucht ist dies an Eizellen, in denen, ausgelæst durch das Spermium, mehrere

In Leber-, Fett- und Muskelzellen wird u. a. ein Glucosetransporter in der Zellmembran aktiviert

12.2 Wichtige Transduktionssysteme

Ca2+-Wellen durch das Cytosol laufen. Raffinierte Methoden machen dies sichtbar: Freies Ca2+ reagiert mit einem natçrlichen Biolumineszenzsystem (Eier von Cnidariern) oder einem kçnstlich eingefçhrten Luciferin/Luciferase-System (Kap. 24), und jede Ca2+-Welle ist gefolgt von einer Leuchtwelle. Es gibt Hinweise, dass auch andere sekundåre Botenstoffe in rhythmischen Oszillationen im Cytosol auftauchen und wieder verschwinden. So wird eine zeitlich begrenzte Reaktion ausgelæst. Von Langzeitreaktionen, die eine Umsteuerung von Genaktivitåten einschlieûen, erfuhren wir schon in Kap. 11.7. 12.2.5 Oft wiederkehrende Einzelkomponenten sind: G-Proteine, Calmodulin, Transkriptionsfaktoren Die verschiedenen Signaltransduktionssysteme sind so verschieden nicht, als dass nicht einzelne Komponenten hier wie dort gebraucht werden kænnten. Ob wir das cAMP-PKA-System, das PIPKC-System oder die Signaltransduktion in den Photorezeptoren der Netzhaut (s. Kap. 22) betrachten, wir finden als wichtige, oft wiederkehrende Elemente G-Proteine, die Schalterfunktion erfçllen. G-Proteine, die von Hormonrezeptoren aktiviert werden, sind Heterotrimere, die aus den drei Untereinheiten a, b und c zusammengesetzt sind. Im Off-Zustand des Schalters ist an die a-Untereinheit Guanosin-di-phosphat GDP gekoppelt. Hat ein Rezeptor vom Serpentin-Typ einen Liganden eingefangen, wirkt er auf das benachbarte G-Protein ein, das GDP gegen das energiegeladene Guanosin-tri-phosphat GTP einzutauschen. In diesem aufgeladenen Zustand wird jedoch das Trio unfriedlich; die Untereinheiten driften auseinander. Was nun im Einzelnen geschieht, ist von Fall zu Fall verschieden. Im typischen Fall der Ûbersichtsartikel und Lehrbçcher hat die mit dem GTP gekoppelte a-Untereinheit die wichtigste Funktion. Sie driftet entlang der Lipidschicht der Zellmembran zu einem benachbarten Enzym, das den Second-messenger erzeugt. Die-

Abb. 12.6. G-Protein, Funktionszyklus

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12 Signaltransduktion und Signalpropagation

ses Nachbarenzym ist die Adenylatcyclase des cAMP-Systems oder die Phospholipase des PISystems. Die energiegeladene a-Untereinheit regt diese Enzyme an, aktiv zu werden. Nach einer Weile fållt jedoch ein Phosphat vom GTP ab. GTP ist zum energiearmen GDP erschlafft. So beruhigt, kehrt die a-Untereinheit zu ihren frçheren Partnern b und c zurçck: das G-Protein ist wieder im Off-Zustand (Abb. 12.6). Mit GTP beladene G-Proteine (anderer, verwandter Art) kænnen auch eigenståndig Kinasefunktion erfçllen und ± ohne Vermittlung der PKA oder PKC ± Substrate phosphorylieren. Ionenkanåle der Zellmembran sind potentielle Substrate. Calmoduline sind Proteine, die reversibel Calcium-Ionen binden und viele calciumabhångige Reaktionen vermitteln. Beispielsweise sind sie bei der Auslæsung der Kontraktion in der glatten Muskelfaser involviert. Transkriptionsfaktoren. Wenn es darum geht, mittels Hormonen Langzeitwirkungen hervorzurufen oder den Funktionszustand von Synapsen (s. Kap. 15) langfristig zu veråndern, werden çber Second-messenger auch Transkriptionsfaktoren aktiviert oder blockiert. Dies fçhrt zu verånderten Genaktivitåten. 12.2.6 Lipophile und gasfærmige Signaltråger kænnen sowohl intrazellulåre Second-messenger sein wie auch auf Nachbarzellen wirken Zu den sekundåren Botenmolekçlen, die nach Empfang eines hormonalen Signaltrågers (oder Transmitters) im Zuge von Signalkaskaden erzeugt werden, gehæren auch Arachidonsåure (Abb. 12.4) und ihre zahlreichen Derivate, sowie die gasfærmigen Molekçle Stickstoffmonoxid NO und vermutlich auch Kohlenstoffmonoxid CO. Sie werden intrazellulår erzeugt, diffundieren jedoch leicht çber Zellmembranen und erreichen als ,tertiåre Botenstoffe` Nachbarzellen (parakrine Stimulation).

Alle diese exotischen Molekçle werden in einer Vielzahl physiologischer Prozesse eingesetzt, als Alarmsubstanzen im Immunsystem (beispielsweise die Arachidonsåure-Derivate Prostaglandine und Leukotriene), im Wechselspiel von Blutzellen mit den Endothelzellen der Blutgefåûe, in der Regelung der Blutgerinnung (Prostaglandine, Thromboxane, NO), zur Auslæsung einer Kontraktion bzw. Relaxation der glatten Muskulatur (Prostaglandine, NO) und als Modulatoren der Signalçbertragung an Synapsen (NO, CO). Manche Wirkungen sind çberraschend: NO læst Relaxation glatter Muskelzellen aus, die Blutgefåûe umhçllen; die Gefåûe weiten sich. Geschieht dies im Penis schieût Blut ein, es kommt zur Erektion.

12.3 Signalpropagation 12.3.1 Von Nanoporen und Nanoræhrchen: fçr die Ausbreitung molekularer Signale stehen çberraschend viele Mechanismen zur Verfçgung Die physiologisch-orientierte Entwicklungsbiologie hat viele Gedanken und Forschungsarbeit investiert in die Frage, wie denn Signalmolekçle sich in umschriebenen Bezirken von Embryonen und regenerierenden Organen ausbreiten kænnten. Die Ergebnisse solcher Forschung, in Abb. 12.7 exemplarisch zusammengefasst, werden zunehmend auch in der Physiologie des adulten Organismus Beachtung finden. Seit langem ist bekannt, dass benachbarte Zellen mittels Nanoporen namens gap junctions niedermolekulare Komponenten austauschen kænnen. Ûber so kanalisierte Diffusion kænnen second messenger wie Ca2+, cAMP, IP3 und auch ATP in Nachbarzellen geleitet werden. Im Auge und im Zentralnervensystem wird hiervon Gebrauch gemacht, um die Aktivitåt von Neuronen zu koordinieren und zu synchronisieren. Verblçffend und in seiner Tragweite noch schwer abzuschåtzen ist der Befund, dass Zellen çber ausstreckbare, lange Nanoræhrchen auch

12.3 Signalpropagation

Abb. 12.7. Signalpropagation in Geweben. Zusammenstellung verschiedener Mæglichkeiten. Durch gap junctions kænnen nur niedermolekulare messenger wie Ca2+, IP3 und cAMP Nachbarzellen erreichen. Via Transcytose kænnen auch in Ve-

sikeln verpackte Makromolekçle an benachbarte Zellen weitergegeben werden. Ûber Nanoræhrchen (Cytoneme) kænnen solche Vesikel gezielt bestimmten Zellen çbergeben oder von ihnen abgeholt werden

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12 Signaltransduktion und Signalpropagation

hæhermolekulare Komponenten, in Vesikeln verpackt, in Zellen ihrer Umgebung leiten kænnen, sogar in solche Zellen, an die sie nicht unmittelbar grenzen. Wåhrend die Entwicklungsbiologen an die Propagation schwer læslicher Proteine wie des bedeutsamen Signalmolekçls WNT denken (s. Mçller u. Hassel 2006), wird diese Art von Zellkommunikation in der Physiologie noch nicht diskutiert, wiewohl dem nachfolgenden Beispiel eine åhnliche Vorstellung zugrunde liegt. 12.3.2 Die ¹immunologische Synapseª: ein stimulierendes Antigen wird weitergereicht In der Immunologie (Kap. 7) wird berichtet, es gåbe Antigen-pråsentierende Zellen, die ihren verdåchtigen Fund den Lymphocyten des Immunsystems, den B-Zellen und T-Zellen, vorzeigen. Solche antigen-presenting cells APC sind beispielsweise Makrophagen, die Fremdmaterial verspeist haben und allerlei Peptidbruchstçcke des intrazellulår verdauten Materials als potentielle Antigene den Lymphocyten pråsentieren. Pråsentationsteller sind MHC-Molekçle auf der Oberflåche der APC, betrachtende und prçfende ¹Sinnesorganeª sind die BCR-Rezeptoren der B-Zellen und die TCR der T-Zellen. Verbleiben wir bei den B-Lymphocyten, fçr die neueste, experimentell gewonnene Erkenntnisse vorliegen (Abb. 12.8). B-Zellen strecken dçnne Fortsåtze Richtung einer APC aus. An den Kontaktstellen sammeln sich auf der einen Seite die BC-Rezeptoren der Lymphocyten, auf der anderen Seite die Antigenbeladenen MHC. Man spricht von ¹immunologischen Synapsenª. Nun çbernehmen die B-Zellen mit ihrem BCR das Antigen, ziehen ihre Fortsåtze zurçck, internalisieren das Antigen durch Endocytose, und pråsentieren es ihrerseits den T-Zellen. Diese unterziehen es einer weiteren Prçfung. Erscheint die Fremdnatur des Antigens gesichert,

Abb. 12.8 a, b. Immunologische Synapse. B-Zellen holen mittels vorçbergehend ausgestreckter dendritischer Fortsåtze Antigene von Antigen-pråsentierenden Zellen APC ab. Solche APC sind beispielsweise dendritische Zellen des Thymus oder Makrophagen. APC pråsentieren das Antigen mittels eines MHC-Komplexes. B-Zellen erkennen und çbernehmen das Antigen mittels ihres B-Zell-Rezeptors BCR, dem Vorlåufer des spåter produzierten spezifischen Antikærpers. Die Ûbergabe findet statt an einer Stelle, an der sich die MHC der APC und die BCR der B-Zellen zu dichten Aggregaten zusammenlagern. Dieses Aggregat wird immunologische Synapse genannt

offenbart das Immunsystem seine ganze Aggressivitåt. Antigene sind keine regulåren, kærpereigenen Signalmolekçle. Doch liegt insofern eine Parallele zu diesen vor, als das Antigen letztlich die ¹Stimulationª der B-Zellen bewirkt. ¹Stimulationª in der Sprache der Immunologie besagt: Die B-Zellen werden sich vermehren, sich in Plasmazellen verwandeln, ihre BCR in groûer Zahl produzieren und als Antikærper freisetzen.

12.3 Signalpropagation

Zusammenfassung des Kapitels 12 Signaltransduktion besagt: Ein von auûen ankommendes Signalmolekçl wird von den Zielzellen mittels Membran-verankerter Rezeptoren aufgefangen und die Botschaft ins Zellinnere weitergeleitet. Dabei wird das Signal in Pulse sekundårer, intrazellulårer Botensubstanzen (second messenger) umcodiert (wie cAMP, Ca2+ und Inositoltrisphosphat IP3), verstårkt und in mehrere intrazellulåre Kompartimente geleitet, wo vorprogrammierte Reaktionen das Signal beantworten. Eine Schlçsselrolle bei der Einleitung einer Reaktion spielen Proteinkinasen, die von ATP Phosphat entnehmen und an OH-Gruppen Protein-gebundener Aminosåuren (Ser, Thr, Tyr) koppeln. Drei Signaltransduktionssysteme werden nåher vorgestellt: (1) das cAMP-PKA-System, zuståndig beispielsweise fçr Reaktionen auf die Hormone Glucagon und Adrenalin, (2) das PI-PKC-System, zuståndig z. B. fçr Wachstumshormon,

und (3) ein Transmembran-Tyrosinkinase-Rezeptor, zuståndig fçr Empfang und Reaktion auf das Hormon Insulin. Lipophile Signalsubstanzen wie Eicosanoide (Prostaglandine, Leukotriene, Thromboxane) und gasfærmige Signalsubstanzen (CO, NO) kænnen direkt in Zellen eindringen und sich darçber hinaus im Gewebe ausbreiten. Im letzten Abschnitt werden neue Befunde vorgestellt çber mægliche Mechanismen, wie auch nicht-lipophile Signale sich in Geweben ausbreiten kænnen: Neben der långer bekannten kanalisierten Diffusion niedermolekularer Signaltråger via gap junctions wird die Weitergabe makromolekularer Signaltråger mittels Transcytose und ausstreckbaren Nanoræhrchen (TNT oder Cytoneme genannt) vorgestellt, sowie die Weitergabe stimulierender Antigene an ¹immunologischen Synapsenª zwischen Antigen-pråsentierenden Zellen und B-Lymphocyten.

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

13.1 Circadiane Rhythmik 13.1.1 Tagesperiodische Biorhythmen kænnen rein exogen sein, nach dem Sanduhrprinzip ablaufen oder endogen sein Die Erde dreht sich und dreht sich, und zieht kraft ihrer Gravitation bei ihrer nimmer endenden Rotation alle Lebewesen mit, in den Sonnenschein hinein und aus ihm wieder heraus, tagein, tagaus. Selbst der Vogel im Flug wird noch im Gravitationsfeld mitgezogen. Unvermeidlich ist die çberwåltigende Mehrzahl aller Lebewesen einem periodischen Wechsel von Hell und Dunkel unterworfen und meistens auch einem synchronen Wechsel der Temperatur. Und dies seit Jahrmilliarden. Was Wunder, wenn sich Lebewesen diesem Rhythmus angepasst haben, sich innerlich schon zeitig aufs Hell- oder Dunkelwerden vorbereiten. Tiere mit hæher evolviertem Zentralnervensystem legen tåglich Perioden des Schlafes ein. Wer im Frçhjahr morgens dem Zwitschern der Vægel lauscht, wird bald gewahr, wie jede Vogelart auf die Minute genau ihr Aufwachen zu verkçnden beginnt. Bloûe Reaktion auf das Hellerwerden? Eben halt ¹ausgeschlafenª, wie die obere Kammer einer Sanduhr eben schlieûlich mal leergelaufen ist? Wer tåglich um dieselbe Zeit erwacht, auch wenn er mal spåter zu Bett gegangen ist, und den pråzisen artspezifischen Einsatz des Gezwitschers im morgendlichen Vogelkonzert wahrnimmt, kann kaum mehr verstehen, dass es jahrzehntelang in der Wissenschaft heftig umstritten

war, ob es denn innere Uhren çberhaupt gebe. Immerhin hatte bereits um 1729 der franzæsische Astronom de Mairan vermutet, dass die tagesperiodischen Blattbewegungen der Mimose (Mimosa pudica) nicht vom Licht-Dunkel-Wechsel hervorgerufen werden; denn er konnte sie auch im Dauerdunkel registrieren. Warum gab es denn die Auseinandersetzung um die Existenz innerer biologischer Uhren? Beweise mçssen schlçssig sein, Alternativen mçssen ausgeschlossen werden. Eine Rhythmik kann l

rein exogen bedingt sein. Dies trifft beispielsweise auf die Photosynthese zu. Nachts gibt's eben nicht genug Licht.

l

Sie kann nach dem Sanduhrprinzip ablaufen. Ein åuûerer Zeitgeber, etwa der Sonnenaufgang, gibt den Anstoû. Das angestoûene Ereignis dauert eine fixe Zeit. Um das nåchste Ereignis auszulæsen, muss ein neuer exogener Anstoû kommen. Lichtabhångige Ablaichrhythmen bei wasserlebenden Tieren oder Zellteilungsrhythmen kænnen nach diesem Muster ablaufen.

l

Die Rhythmik wird von einem endogenen Rhythmusgenerator erzeugt, wie beispielsweise die Rhythmik der Atmung und des Herzschlags. Man spricht auch von Schrittmachern, Oszillatoren oder eben von biologischen Uhren, wenn die Periodenlånge mit dem astronomischen Tag çbereinstimmt. Ein Rhythmus, der auch unter vermeintlich gleichbleibenden Bedingungen erhalten bleibt und mit dem Naturtag perfekt synchron geht, gilt freilich noch nicht als strikter Beweis fçr das Wirken endogener Oszillatoren. Vielleicht hat man beim

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

Versuch, konstante Umweltbedingungen zu schaffen, etwas çbersehen, hat etwa unsichtbare elektromagnetische Felder nicht abgeschirmt oder schlicht tåglich zur selben Zeit Futter gebracht. 13.1.2 Die Existenz innerer Uhren wird durch das Auftreten ¹freilaufender Rhythmenª und durch genetische Experimente nachgewiesen Måuse werden bei konstanter Dåmmerbeleuchtung und gleichbleibender Temperatur gehalten. Futter steht ståndig ¹ad libitumª (nach Belieben) zur Verfçgung; niemand kommt in den Versuchsraum herein. Die Måuse haben die Gelegenheit, im Laufrad nach Herzenslust ihren Bewegungsdrang abzureagieren. Dass die Bewegung des Laufrades registriert wird, bemerken sie nicht; denn das geschieht automatisch mittels sensibler Technik. Auf dem Registrierstreifen sieht man im Regelfall eine doppelgipflige Aktivitåtsrhythmik: die Tierchen sind morgens und abends munter. Die Streifen aufeinanderfolgender Tage sind wie die Zeilen einer Buchseite untereinander aufgezeichnet und ergeben so ein genaues Tagebuch

çber das Bewegungsverhalten der Tiere. Ein Darstellungstrick (double daily plot, Doppelplot) låsst deutlich die Intervalle zwischen zwei Aktivitåtsschçben und gleichzeitig eine eventuelle tågliche Verschiebung von Anfang und Ende der Aktivitåtsperiode hervortreten (Abb. 13.1). Mehrere miteinander in Beziehung stehende Beobachtungen belegen die Existenz einer inneren Uhr: 1. Die Rhythmik wird beim Fehlen eines Zeitgebers freilaufend: Die Intervalle zwischen den Morgenmaxima (und entsprechend zwischen den Abendmaxima) sind etwas långer als 24 Stunden (seltener kçrzer). Daher verschieben sich die Maxima Tag um Tag gegençber einer korrekt gehenden Uhr und weichen immer mehr vom Naturtag ab. Unter konstanten Umweltgegebenheiten ist die innere Uhr circadian (lat.: circa = ungefåhr, dies = Tag). 2. Einzelne Måuse, die von anderen isoliert gehalten werden, haben ihren Individualrhythmus. Der spontane Rhythmus der Maus A weicht mehr von der Norm ab als der Rhythmus der Maus B. Die Aktivitåtsperioden beider Måuse divergieren nicht nur vom astronomischen Tag, sondern auch voneinander tagtåglich

Abb. 13.1. Freilaufende Rhythmik. Ausgedachtes Modellbeispiel, das sich auf den Schlaf-Wach-Zyklus eines Menschen beziehen kænnte. Die Wachperiode ist jeweils zweimal eingetragen: rechts und nochmals, eine Zeile tiefer, links. Mit diesem Doppelplot kann einerseits das Intervall zwischen zwei Perioden gezeigt werden (Abstånde der Balken in der Horizontalen), andererseits auch die Verschiebung der Wachperiode von Tag zu Tag (Vergleich in vertikaler Richtung). Schråg verlaufende Bereiche zeigen die freilaufende Rhythmik mit Perioden von ca. 25 h an. Eine Synchronisation der inneren Uhr durch einen externen Zeitgeber ist nicht von Dauer. Nach Wegnahme des Zeitgebers tritt der endogene Rhythmus wieder hervor

13.1 Circadiane Rhythmik

mehr und mehr. Welcher unbemerkte åuûere Zeitgeber sollte jeder Maus einen anderen Takt vorspielen? Auch beim Menschen hat man freilaufende Rhythmen registriert. Am Max-Planck-Institut fçr Verhaltensphysiologie in Erling-Andechs (Oberbayern) durften sich Studenten unter ungewæhnlichen Bedingungen auf das Examen vorbereiten. Es stand ihnen alles zur Verfçgung, was sie brauchten, durften zu Bett gehen und aufstehen, wann sie wollten, doch waren sie gånzlich von åuûeren Zeitgebern abgeschnitten. Ihr Schlaf-Wach-Rhythmus und ihre Kærpertemperatur folgte erstaunlich pråzise dem, was auch (andere) Vægel und Såuger demonstrieren. Die meisten Menschen folgen spontan einem Rhythmus, der sie eher als Spåtaufsteher ausweist (Periodendauer etwa 25 Stunden). Ging eine Person am ersten Tag um 24 Uhr zu Bett, dann am zweiten Tag ca. 1 Stunde spåter um 1.00 Uhr und nach einer Woche erst um 12 Uhr mittags. Daran ånderte sich auch nichts, wenn die Versuchspersonen physischen Belastungen ausgesetzt waren. Mçdigkeit kann einzelne Schlafenszeiten verlångern, muss aber nicht zwangsweise die Perioden der folgenden Wach- und Ruhezeiten verschieben.

3. Der Individualrhythmus ist genetisch vererbt und kann Mutationen unterliegen. In einer Goldhamster-Zuchtlinie traten Nachkommen auf, die notorische Frçhaufsteher waren und vor allen anderen ihren Laufrad-Frçhsport machten. Die Mutation tau vererbte sich nach Mendelschen Regeln. War die beim Goldhamster aufgetretene Mutation eine Zufallsbeobachtung, so fçhrten systematische Analysen von Rhythmusmutanten bei Drosophila schlieûlich zur Identifikation der wesentlichen Komponenten der circadianen Uhr. 13.1.3 Circadiane Uhren sind temperaturkompensiert, begrenzt verstellbar und vermutlich in allen eukaryotischen Organismen nach gleichen Grundprinzipien konstruiert Aus Versuchen, die Charakteristik biologischer Rhythmen bei gleichbleibenden Umweltbedingungen herauszuarbeiten, ist deutlich geworden, dass biologische 24-Stunden-Uhren gemeinsame Charakteristika haben:

l

Sie basieren auf Genaktivitåten, wie modellmåûig im nachfolgenden Abschnitt 13.2 fçr Drosophila dargestellt.

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Biologische Uhren sind temperaturkompensiert. Die herrschende Temperatur hat auch bei ektothermen (poikilothermen) Tieren einen auffallend geringen Einfluss auf die Periodendauer.

l

Die Periodendauer der biologischen Uhren ist circadian, d. h., ihre spontane Periode weicht etwas von 24 Stunden ab, aber nicht viel! Beim Grçnfink konzentrieren sich die spontanen Perioden im Zeitraum von 23 bis 25 Stunden.

l

Sie lassen sich durch exogene Zeitgeber korrigieren und mit dem Naturtag synchronisieren. Zeitgeber ist im Regelfall der tågliche Lichtwechsel; doch kommen auch andere periodisch wiederkehrende Ereignisse wie soziale Kontakte (z. B. morgendliches Gezwitscher benachbarter Vægel) oder die Verfçgbarkeit von Futter (Úffnen von Blçten bei Blçtenbesuchern) als Zeitgeber in Betracht.

l

Innere Uhren haben einen begrenzten Verstellbereich. Versucht man, durch einen schnelleren oder langsameren Lichtzyklus die biologische Uhr zu schnellerem oder langsamerem Lauf zu bewegen, so beobachtet man einen begrenzten Mitnahmebereich (englisch: entrainment). Der Mitnahmebereich ist artspezifisch unterschiedlich weit und liegt bei Ô1 bis Ô3 Stunden. Einem zu schnellen oder zu sehr verzægerten Rhythmus folgt die innere Uhr nicht mehr, sondern gehorcht ihrem eigenen Gesetz.

Auch fçr uns Menschen gilt, dass die Umlaufzeit der inneren Uhr um maximal 3 h/Tag verkçrzt oder verlångert werden kann. Græûeren Verschiebungen ist der Arbeitnehmer beim Wechsel der Schichtwechselzeit ausgesetzt oder der Reisende beim Flug in æstlicher oder westlicher Richtung (Jet lag). Dann ist beispielsweise die Cortisolkonzentration im Blut nicht mehr frçhmorgens, sondern am Nachmittag am hæchsten, und es dauert mehrere Tage, bis sich Kærperfunktionen und subjektives Befinden der Ortszeit angepasst haben.

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

13.1.4 Bei experimenteller Zeitverschiebung mit Lichtimpulsen registriert man eine charakteristische ¹Phase-response-curveª Der nicht allzu pråzise Gang der inneren Uhr macht es erforderlich, dass sie tagtåglich çber ein entrainment durch einen externen Zeitgeber nachgestellt wird, um sie mit dem Sonnenlauf synchron zu halten. Zeitgeber zur Synchronisation ist natçrlich vor allem der Licht-Dunkel-Wechsel (aber auch soziale Kontakte und Zugang zum Futter kænnen Langschlåfer zum Aufstehen bewegen). Andererseits ermæglicht die nicht allzu starre Pråzision der inneren Uhr auch eine flexible Umstellung je nach Jahreszeit und geographischer Position. Bei Zugvægeln, Walen und Fischen, die riesige Entfernungen zurçcklegen, ist die Mæglichkeit, die innere Uhr nachzustellen, kein bloûes Beiwerk. Wir wissen schon, dass man durch Verkçrzen oder Verlångern der Hell- und Dunkel-Phasen in begrenztem Umfang die Uhr verstellen kann. Im detaillierten Experiment verabreicht man Lichtimpulse von etwa einer Stunde Dauer. Je nach der Tageszeit, zu der die Pulse gegeben werden, beobachtet man eine Beschleunigung (phase advance), eine Verzægerung (phase delay) oder gar keinen Effekt. Auf den Menschen çbertragen wçrde ein typisches Experiment wie folgt ausgehen: Ein Lichtpuls von einer Stunde am Abend håtte zur Folge, dass man am anderen Morgen spåter aufsteht (phase delay); ein Lichtblitz gegen 3 Uhr hingegen lieûe uns frçher erwachen (phase advance). Am Morgen nach dem Aufstehen wåre der Lichtpuls bedeutungslos. Bei verschiedenen Tieren lassen sich åhnliche phase-response-Kurven registrieren, weitgehend unabhångig davon, ob man tag- oder nachtaktive Tiere solchen Stærlichtern aussetzt. Mehr noch, auch die einzellige Alge Gonyaulax, die allnåchtlich leuchtet ± auch im Dauerdunkel ± besitzt eine circadiane Uhr mit åhnlichen Systemeigenschaften.

Bereits bei Einzellern und wenigzelligen Pilzen gibt es eine ausgeprågte circadiane Rhythmik. In der Forschung beliebt sind die Leuchtalge Gonyaulax, die auch im Dauerdunkel periodisch leuchtet, die einzellige Riesenalge Acetabularia, und der wenigzellige Schimmelpilz Neurospora grassa, der tåglich zur selben Stunde neue Fruchtkærper hervorbringt. Beim Dinoflagellaten Gonyaulax registriert man zwei Phånomene, bei denen Licht ausgesandt wird: (1) die stimulierte Lumineszenz: Erschçtterungen wie die Brandung læsen das Meeresleuchten aus, wenn Millionen der Algen synchron ihr blaugrçnes Licht aussenden (dafçr ist in der Nordsee der Dinoflagellat Noctiluca zuståndig); die Fåhigkeit, solches Licht zu emittieren, ist um Mitternacht am hæchsten; (2) das viel schwåchere Glçhen, das gegen Morgen am stårksten ist. Bei der einzelligen Riesenalge Acetabularia unternehmen die Chloroplasten tagesperiodische Wanderungen.

Solche Beobachtungen lieûen die Vermutung aufkeimen, dass es eine Grundkonstruktion fçr biologische Uhren geben kænnte. Neue Befunde stårken diese Auffassung.

13.2 Die molekulare Grundkonstruktion der circadianen Uhr 13.2.1 Rhythmusmutanten von Drosophila ermæglichten es, entscheidende Gene zu identifizieren; homologe Gene werden auch im Såuger gefunden Verhaltensweisen, die sich tagesperiodisch åndern, sind bei der Taufliege nicht auffållig. Der aufmerksame Beobachter, der sich nicht scheut, schon in den frçhen Morgenstunden in den Zuchtraum zu gehen, entdeckt, dass die Fliegen vorzugsweise in den kçhlen, taufrischen Morgenstunden aus der Puppenhçlle schlçpfen. Die noch weichen Flçgel trocknen nicht vorzeitig aus, bevor sie voll entfaltet sind. Sind einzelne Fliegen eines Geleges am frçhen Morgen noch nicht ganz schlçpfbereit, mçssen sie sich 24 h in der Puppenhçlle gedulden, bis sie am anderen Morgen im geziemenden Zeitfenster schlçpfen dçrfen. Nach Mutagenese-Behandlung fanden sich Fliegen, die zu frçh, zu spåt oder regellos zu beliebiger Tages- oder Nachtzeit schlçpften. Schæn und

13.2 Die molekulare Grundkonstruktion der circadianen Uhr

gut. Doch man schlçpft als Fliege nur einmal im Leben aus dem Puppenbett, fçr Rhythmik-Studien keine gçnstige Eigenschaft. Gçnstiger sind da Aktivitåten, die sich tåglich zur selben Zeit und gleich bleibender Dauer wiederholen. Es zeigte sich jedoch, dass die gezçchteten Schlçpfmutanten auch in anderen Aktivitåten von der Norm abwichen. Schon Fliegen kennen Phasen der Aktivitåt, in der sie auf Futtersuche gehen, gefolgt von Phasen der Ruhe. Spåter am Tage fçhren die Månnchen ihre Balztånze auf. Man entwickelte mit Infrarotsensoren ausgerçstete, automatische Registrier- und Aufnahmegeråte, erzeugte durch weitere Mutagenese vielerlei in ihrer Rhythmik gestærte Nachkommen und identifizierte mit klassischer Genetik und schlieûlich durch Positionsklonieren die verantwortlichen Gene. Das Methodeninventar der Molekularbiologie, speziell die Suche nach homologen Genen (Homologiesuche, reverse Genetik), erlaubte es, nach sequenzåhnlichen Genen im Genom der Maus und des Menschen zu suchen. Man wurde bald fçndig. So kann denn das nachfolgend beschriebene Modell der molekularen Uhr der Taufliege auch als Grundmodell der circadianen Uhr des Menschen angesehen werden, wenn auch das eine oder andere Gen/Protein anders bezeichnet wird und in Details der Konstruktion manches anders eingerichtet ist. 13.2.2 Die molekulare Grundkonstruktion der Uhr beruht auf cyclischer Transkription, Translation, posttranslationaler Modifikation und Proteindegradation Morgens frçh geht die Transkription der Gene per (period) und tim (timeless) los. Ûber den Tag hinweg werden durch Translation der mRNA's die Proteine PER und TIM hergestellt. Sie akkumulieren im Cytoplasma, bis ein bestimmter Schwellenwert çberschritten ist. Nun paaren sich PER und TIM zu Heterodimeren. Zu ihnen gesellt sich DBT (doubletime). Gegen Abend gelangt das Trio

PER/TIM/DBT in den Kern. Es sucht die Promotorenregionen der per- und tim-Gene; diese sind von den Transkriptionsaktivatoren CYC (von cycle) und CLOCK besetzt. Das PER/TIM/DBTTrio unterdrçckt deren Aktivitåt. Im Sinne einer negativen Rçckkoppelung beenden PER und TIM die Aktivitåt ihrer eigenen Gene (Abb. 13.2 a). Dies ist jedoch nur die Hålfte eines vollståndigen Zyklus'. In einem Oszillator alternieren Phasen negativer Koppelung mit Phasen positiver Rçckkoppelung. (Im Pendel alternieren positive Beschleunigung und negative Beschleunigung.) Damit ein neuer Zyklus starten kann, muss nåchstfolgend die Hemmung aufgehoben werden. Mutmaûlich ausgelæst durch den Trittbrettfahrer DBT kommt es wåhrend der Nacht zur Phosphorylierung des PER/TIM-Komplexes und zu seiner anschlieûenden Degradation durch die Proteasen des Proteasoms. Auch CLOCK verschwindet, doch kommt es gegen Morgen zu einer Erneuerung des aktivierenden CYC/CLOCK-Heterodimers, das parallel sowohl das per- als auch das tim-Gen wieder einschaltet. PER war, bevor es degradiert worden ist, am Einschalten des CLOCK-Gens beteiligt. PER hat also erst seine eigene Aktivitåt gedrosselt und dann mit Zeitverzægerung indirekt seine Neusynthese in Gang gesetzt. Die Mengen von PER/TIM einerseits und von CLOCK andererseits schwingen in Gegenphase auf und ab. Manches freilich ist noch im Dunkeln, wenn morgens der CYC/CLOCK-Komplex wieder zu arbeiten beginnt und die PER + TIM-Synthese erneut in Schwung kommt. Um die Drosophila-Uhr zur Såuger-Uhr umzubauen, mçssen wir das PER-Protein statt an ein TIM an ein CRY koppeln (Abb. 13.2 b). CRY steht fçr crytochrome.

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

a Abb. 13.2 a, b. Modell der biologischen circadianen Uhr, entwickelt nach Untersuchungen an Drosophila (a). Bei Såugern (b) ist TIM zu ersetzen durch CRY (Cryptochrom), und es gibt

beim Såuger 3 per-Gene. Einige Bezeichnungen sind auszutauschen. DBT heiût bei Såugern Casein Kinase 1e, CYC heiût BMAL1

13.2 Die molekulare Grundkonstruktion der circadianen Uhr

In den Pionierarbeiten mit der Fruchtfliege konvergierten drei Forschungslinien an einem gemeinsamen Schnittpunkt: 1) Aktionsspektrum. Um Hinweise auf die Natur eines noch unbekannten Lichtsensors zu erhalten, nimmt ein Physiologe erst einmal ein Aktionsspektrum (action spectrum) auf; mit anderen Worten: er erstellt eine Kurve relativer spektraler Wirksamkeit des Lichtes: Er misst bei jeweils gleicher eingestrahlter Lichtintensitåt (Photonenstromdichte), welche Wellenlånge die beste Wirkung hat ± im vorliegenden Fall, welche Wellenlånge sich am besten zur Verstellung der Uhr eignet. Bei der Fliege wie beim Einzeller Gonyaulax ist dies Blaulicht. 2) Operatives Entfernen der Augen oder die Untersuchung sehblinder Fliegen lieûen erkennen, dass die Blaulichtrezeptoren der Ommatidien wohl nicht die gesuchten Sensoren sind.

Abb. 13.2 b

13.2.3 Verborgene Cryptochrome dienen zur lichtgesteuerten Uhrwerk-Korrektur bei der Fliege, sind aber integrierte Komponenten der Uhr beim Såuger Eine biologische Uhr braucht Eingånge und Ausgånge fçr Information. Eingånge: Um eine Uhr mit bloû ungefåhrer Ganggenauigkeit tagtåglich an den Tagesgang anpassen zu kænnen, muss das Uhrwerk an einen externen Zeitgeber angeschlossen werden, im typischen Fall çber einen Lichtsensor, der sagt, wann der Naturtag beginnt und endet. Ausgånge: die Uhr soll ja Reaktionen des Organismus steuern.

3) Die Analyse von Mutanten, deren Uhr sich nicht mehr verstellen lieû, wies auf ein Gen fçr ein Protein, deren Aminosåuresequenz Øhnlichkeit zu Photolyasen (die bei der Reparatur defekter DNA beteiligt sind) und zu den Cryptochromen (cryptochromes) der Pflanzen aufweist. Blaulicht hatten Botaniker als effektiv fçr bestimmte lichtgesteuerte Reaktionen bei Pflanzen ausgemacht. Bei Arabidopsis beispielsweise dirigiert Blaulicht das Wachstum zum Licht (Phototropismus), und es ist an der Festlegung des Blçhtermins (Photoperiode) beteiligt. Das damals noch unbekannte Photopigment erhielt die Bezeichnung Cryptochrom ± verborgener Farbstoff (griech.: kryptein = verbergen; chroma = Farbe). Cryptochrom enthålt als Licht-absorbierende Cofaktoren FAD (Flavin-Adenin-Dinucleotid) und Pterin. Diesen Hinweisen folgend, war Cryptochrom bald in verschiedenen Geweben der Fliege nachgewiesen. Abends steigt der Cryptochromgehalt der Gewebe an, morgens sinkt er. Ausschalten des cryGens machte Fliegen unfåhig, ihre inneren Uhren mit dem Naturtag zu synchronisieren und die regulåren Zeiten zum Schlçpfen und Essen einzu-

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

halten. Man muss annehmen, dass Cuticula und Gewebeschichten genug Licht hindurchlassen, um den Cryptochrom-Lichtsensor in den inneren Uhrwerken neuronaler Zellen zu erreichen. Auch im Såuger gibt es Cryptochrome. Sie sind jedoch keine Lichtsensoren mehr, sondern sind zu integrativen Komponenten der Uhr selbst geworden und ersetzen funktionell das TIM der Fliege. In Abb. 13.2 b sind fçr die Såugeruhr statt der PER/TIM-Heterodimere PER/CRY-Dimere eingesetzt. Es gibt jedoch Komplikationen, wenn man ein einfaches Funktionsschema entwerfen will. Jeder mit einer Uhr ausgestatteten Zelle stehen nåmlich mindestens zwei verschiedene CRY- und drei verschiedene PER-Varianten zur Verfçgung; wann und wozu sie diese nutzen, bleibt noch zu klåren. Wie die Uhren im Såuger mit dem Naturtag in Einklang gebracht werden, wird unter Kap. 13.3.5 diskutiert.

13.3 Zentraluhren Auch wenn man heute davon ausgeht, dass circadiane Rhythmen durch Uhren gleichen Bauprinzips gesteuert werden, besagt dies nicht, dass es nicht verschiedene Versionen der Uhr gåbe. Man denke an mechanische Ankeruhren; ihr Funktionsprinzip ist gleich, doch wie viele verschiedene Modelle gibt und gab es! Vor allem die Koppelung der verschiedenen physiologischen Funktionen an eine Uhr muss im Einzelfall recht verschieden sein, unterschiedlich beispielsweise bei Tag- und bei nachtaktiven Tieren; unterschiedlich aber auch in den verschiedenen Organen eines Lebewesens. 13.3.1 Tagesperiodisch leuchtende Gewebe bei Drosophila und Fischen weisen auf eine Mehrzahl an inneren Uhren, eine Zentraluhr çbernimmt die Synchronisation Molekulargenetiker haben heute erstaunliche Werkzeuge in der Hand. Heute gibt es transgene

Fliegen und Fische, in denen das PER-Protein mit dem aus Medusen stammenden GFP (greenfluorescent protein) gekoppelt ist und die unter einer Lampe mit langwelligem UV-Licht tagesperiodisch grçn aufleuchten. In andere Fliegenståmme ist çber ein Plasmid das Luciferase-Gen des Leuchtkåfers (¹Glçhwçrmchensª) mit vorgeschaltetem PER-Promotor eingefçhrt worden. Tagesperiodisch wird parallel mit PER auch Luciferase hergestellt. Damit das Luciferase-Enzym auch etwas zu bearbeiten hat, wird dem Futter Luciferin beigemengt. Bei der Luciferase-katalysierten Oxidation des Luciferins entsteht grçnliches Licht, wie wir es vom ¹Glçhwçrmchenª kennen. Die Fliegen oder Fische leuchten grçn auf. Die Intensitåt des Lichtes schwillt an und ab, im circadianen Rhythmus. Genaue Beobachtungen zeigten, dass nicht nur eine Struktur im Tier periodisch leuchtet, sondern verschiedene Gewebe (z. B. bestimmte Partien des Gehirns und die exkretorisch tåtigen Malpighischen Gefåûe). Es gibt mehrere innere Uhren, die alle mit einer nur ungefåhren 24-h-Periodik arbeiten und deshalb mit dem Tagesgang synchronisiert werden mçssen. Bei Insekten war seit langem das Gehirn als Sitz einer circadianen Uhr ausgemacht. Transplantationen von Gehirnen von Normaltieren in arrhythmische Mutanten zeigten, dass das Gehirn dem ganzen Organismus seine Rhythmik vorgeben kann. Mutanten mit zusåtzlichem Normalgehirn im Abdomen folgen dem Rhythmus des Spendergehirns. Es wird als Sitz einer dominierenden Zentraluhr angesehen. Im Gehirn des Insekts findet sich eine Gruppe von 20±30 Neuronen, die periodisch PER erzeugen und deren elektrische Aktivitåten ebenfalls tagesperiodisch oszillieren. Diese Gehirnneurone gelten als die Zentraluhr, welche den Gang der Individualuhren der verschiedenen Gewebe synchronisiert. Dies geschieht, so wird angenommen, çber ein Neuropeptid, genannt ¹pigment-dispersing factorª. Die Funktion einer Zentraluhr wird allerdings nicht von einem einzigen Schrittmacherneuron oder einer einzigen Gruppe von Taktgebern wahrgenommen, sondern von einem Kollektiv von weit auseinander liegenden paarigen lateralen und dor-

13.3 Zentraluhren

salen Neuronen. Alle diese Neurone exprimieren periodisch tim und per, und enthalten Cryptochrom. Cryptochrom vermittelt in der Fliege das tågliche Nachjustieren der Uhren; denn ein Verstellen der Uhr mittels Blaulicht gelingt auch mit isolierten, in Kulturmedien gehaltenen Neuronen. Andererseits nehmen die Schrittmacherneurone auch Information von Augen (Ommatidien, Ocelli, Hofbauer-Buchner Øuglein?) entgegen. 13.3.2 Auch im menschlichen Kærper gibt es verschiedene Uhren; sie mçssen von einer Zentraluhr synchronisiert werden Wenn man Aktivitåtsperioden von Vægeln und Kleinsåugern im Laufkåfig registriert, ist das bequem. Der Physiologe will aber mehr wissen. Er registriert Bluttemperatur, Blutdruck, den Titer verschiedener Hormone (Konzentration im Blut), schlieûlich gar verschiedene Enzymaktivitåten in der Leber. Er findet, dass keineswegs alle Werte tagesperiodisch schwanken, aber doch viele (Abb. 13.4). Sowohl im Tierversuch wie bei der Registrierung von Messwerten im menschlichen Kærper ist man aufmerksam geworden, dass es mehrere innere Uhren geben dçrfte. Vielleicht hat sogar jede Zelle ihre eigene Uhr. Dabei dçrften allerdings alle Zellen dasselbe Modell vom selben Hersteller besitzen. Jedenfalls kænnen viele Zell- und Organfunktionen periodisch auf- und abschwingen. Beim Såuger, und so auch beim Menschen, schwanken tagesperiodisch beispielsweise l

Bluttemperatur (Minimum frçhmorgens, Maximum am Nachmittag);

l

Blutdruck (Minimum gegen Morgen);

l

der Titer verschiedener Hormone im Blut, so vom Wachstumshormon (Maximum nachts), vom Prolactin, vom ADH/Vasopressin, vom ACTH und, mit ACTH korreliert, der Spiegel von Cortisol (Maximum frçhmorgens);

l

die Zahl der Granulocyten und Makrophagen, die sich im Blut aufhalten;

l

die Konzentration verschiedener Stoffe im Urin;

l

die Aktivitåt verschiedener Enzyme im Blutplasma (z. B. alkalische Phosphatase) und in der Leber (z. B. die Alkoholdehydrogenase, die zeitig fçr den abendlichen Schoppen das Maximum ihrer Aktivitåt erreicht);

l

sogar das Lebergewicht schwankt tagesperiodisch.

Aus solchen Schwingungen im Metabolismus hat der Mediziner einiges lernen kænnen çber bis dahin råtselhafte Befunde. Viele Medikamente wirken unterschiedlich stark, je nachdem zu welcher Tages- oder Nachtzeit sie verabreicht werden. Rhythmische Aktivitåten im Bereich des Stoffwechsels und vegetativer Regelgræûen mçssen nicht unabhångig voneinander sein, sondern kænnen auch die Aktivitåt eines Hormons widerspiegeln, und dies trifft auch zu, wie wir sehen werden. Andererseits bleiben die Schwankungen von Enzymaktivitåten manchmal auch erhalten, wenn das Gewebe und Zellen daraus in der Zellkultur gehalten werden. So kann die Periodik in der Aktivitåt von Enzymen auch in isolierten Gehirnzellen oder Leberzellen (Hepatocyten) noch einige Tage erhalten bleiben. Beim Jet-lag braucht es unterschiedlich lange, bis die einzelnen Funktionen der neuen Ortszeit angepasst sind. Augenscheinlich gibt es mehrere oszillierende Systeme im Kærper und nicht nur eine Uhr. Nach einiger Anpassungszeit kommen diese verschiedenen Systeme schlieûlich doch wieder in Gleichtakt. Schlussfolgerung: es gibt einen zentralen Dirigenten, dem die einzelnen Mitglieder des Konzerts folgen, das eine schneller, das andere langsamer. Auch im Såuger gibt es mehrere unabhångige innere Uhren, aber eine synchronisierende Zentraluhr. Der zentrale Taktgeber muss Zugang haben zu einem Photorezeptor, der merkt, wann es hell und wann es dunkel wird. Daher ist immer schon ver-

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

13.3.3 Die Zentraluhr der ,niederen' Wirbeltiere: Das Pinealorgan (Epiphyse) und Melatonin, ein allnåchtlich erzeugtes Hormon (das auch noch in der Epiphyse des schlafenden Menschen produziert wird)

Abb. 13.3. Pinealocyten und Melatoninsynthese. Die ¹Fahneª (Auûenglied) des Pinealocyten der Amphibien trågt Mikrovilli; der Pinealocyt ist den Photorezeptoren der Augennetzhaut åhnlich. Diese Fahne ist bei Sauropsiden nur noch andeutungsweise, bei Såugern nicht mehr vorhanden

mutet worden, dass die biologische Zentraluhr ihren Sitz im Gehirn und irgendwie Anschluss ans visuelle System hat. Die experimentelle Forschung hat dies beståtigt ± aber in einer nicht vorhersehbaren Weise.

Setzt man einem Vogel eine Augenbinde auf, die garantiert lichtundurchlåssig ist, ist der arme Vogel desorientiert. Klar. Ûberraschenderweise folgt sein Aktivitåtsgebaren aber noch dem Hell-Dunkel-Wechsel, und die innere Uhr kann auf ein neues Zeitprogramm umgestellt werden. Unter dem Schådeldach sitzen im Pinealorgan (synonym Epiphyse, Zirbeldrçse) photosensible Zellen mit strukturellen Merkmalen, die an die Zapfen des Auges erinnern (Abb. 13.3). Die Photosensoren sind lichtempfindlich genug, um auf die wenigen Lichtquanten zu reagieren, die durch Federkleid, Haut und Schådelknochen zur Epiphyse gelangen. Tiefer unten im System der Wirbeltiere gibt es gar ein drittes Auge, nicht nur bei der Brçckenechse, bei der es åuûerlich sichtbar ist und diesem Reptil zum Ruhme verhalf. Auch bei Haien, Fræschen und Eidechsen findet der Anatom ein augenåhnliches Pinealorgan mit zapfenartigen Photorezeptoren, wenn auch unter der Haut verborgen. Bei den im System der rezenten Wirbeltiere an basaler Stelle stehenden Neunaugen sind gar zwei unter der Haut verborgene Organe mit Photorezeptoren (Pinealorgan und Parietalorgan) zu finden, mutmaûlich Relikte eines ehemaligen zweiten Augenpaares. Im Såugergehirn hingegen ist es dunkel. Unser Pinealorgan muss (indirekt) vom Auge informiert werden, ob es nun hell oder dunkel ist. Auch wenn bei Såugern in der Epiphyse lichtempfindliche Sensoren fehlen, so hat sie in einem doch ihr evolutives Erbe bewahrt: Sie ist Produzent eines ¹uraltenª Hormons, des Melatonins. Es war åuûerst aufregend, als man entdeckte, dass die Epiphyse ± nicht nur der ,niederen` Wirbeltiere, sondern auch der Såuger ± in regelmåûigem Rhythmus allnåchtlich und in Ûbereinstimmung mit der inneren Uhr ein Hormon bildet und entlåsst, das augenscheinlich in der Lage ist,

13.3 Zentraluhren Abb. 13.4. Zentraluhr der Såuger und physiologische Funktionen, die von ihr indirekt gesteuert werden. Zentraluhr ist der çber der Sehnervkreuzung (Chiasma) liegende, sehr kleine suprachiasmatische Nucleus SCN. Er ist direkt mit Neuronen der Retina verbunden, welche lichtabsorbierendes Melanopsin enthalten und mutmaûlich als Belichtungsmesser zum Nachjustieren der Zentraluhr dienen. Die mit dem SCN indirekt in Kontakt stehende Epiphyse und die Hypophyse helfen mit ihren Hormonen Melatonin und ACTH, periphere Uhren in Gleichtakt mit der Zentraluhr SCN zu bringen

verschiedene circadiane Rhythmen zu synchronisieren. Wird im Experiment die innere Uhr verstellt, verschiebt sich auch die Synthese und Freisetzung dieses Hormons. Das Hormon ist Melatonin (Abb. 13.3). Melatonin war schon als ein Hormon bekannt, das antagonistisch zu MSH die Dispersion des schwarzen Pigments in der Haut von Fræschen

steuert. Seltsamerweise bewirkt es eine Aufhellung, obwohl Melatonin im Dunkeln synthetisiert wird. Melatonin ist ein Aminosåurederivat; es wird aus der Aminosåure Tryptophan hergestellt. Es dçrfte evolutionsgeschichtlich eine der åltesten Signalsubstanzen sein; denn es wird schon bei Einzellern gefunden. Bei der Herstellung von Melatonin aus Tryptophan ist ein Enzym, die N-Ace-

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

tyltransferase beteiligt, deren Aktivitåt tagesperiodisch schwankt und nachts ihr Maximum hat. Aus der Epiphyse von Vægeln hat man Pinealzellen (Abb. 13.3) herausgenommen, voneinander isoliert (dissoziiert) und in Kultur genommen. Sie produzierten auch im Dauerdunkel in circadianen Perioden das Hormon Melatonin; und sie lieûen sich durch Licht auf einen neuen Rhythmus einstellen (entrainment). Die einzelne Zelle schon kann eine circadiane Uhr besitzen und allnåchtlich Melatonin freisetzen. Hormonphysiologen und Biorhythmikforscher schreiben dem Melatonin allerlei Wirkungen zu (die in der journalistisch aufgemachten Sekundårliteratur und in den Prospekten aus den Marketingabteilungen der pharmazeutischen Industrie manchmal ins Wundersame gesteigert sind): l Melatonin soll innere Uhren synchronisieren und helfen, den Jet-lag zu çberspielen. Diese Angaben sind jedoch strittig. l Es soll lebensverlångernd sein. Aber Vorsicht: l Melatonin hat bei einer Reihe von Wirbeltieren antigonadotrope Wirkung: Es læst eine Reduktion der Gonaden aus. l Je nach Wirbeltierklasse schreibt man dem Melatonin eine Rolle zu bei der Regulation der lokomotorischen Aktivitåt, des Farbwechsels, der Lichtempfindlichkeit des Auges und des Schlaf-Wach-Rhythmus. Ein ¹Schlafhormonª ist es aber nicht.

13.3.4 Die Zentraluhr der Såuger, der SCN, ist ein Teil des Hypothalamus Bei Såugern hat sich eine neue Zentraluhr etabliert, die vom Auge çber Tag und Nacht informiert wird. Es ist der supra-chiasmatische Nucleus SCN (lat./griech.: supra = oberhalb; chiasma = Sehnervçberkreuzung; nucleus = Kern; d. h. Gebiet im Gehirn mit Zellkernen). Der SCN liegt im Hypothalamus nahe den Kerngebieten, in denen neurosekretorische Zellen ihre Heimstatt haben (Abb. 13.4 u. 11.5). Mehr noch, der SCN enthålt selbst neurosekretorische Zellen. Zum Beispiel solche, die Adiuretin/Vasopressin erzeugen, aber ihr Sekret nicht in der Neurohypophyse in die Blutbahn entlassen, sondern augenscheinlich im Gehirn selbst entladen. Wird der SCN herausope-

riert, geht die Schlaf-Wach-Rhythmik verloren, die Rhythmik der lokomotorischen Aktivitåt und die circadiane Rhythmik, in der verschiedene Hormone (Wachstumshormon, Prolactin, Adiuretin/Vasopressin und ACTH) von der Hypophyse ausgeschçttet werden. Als Folge davon kommen auch manch periphere Rhythmen aus dem Takt oder zum Erliegen. Die Uhr kann transplantiert werden, wobei sie weiterlåuft. Bei Goldhamstern kennt man eine Frçhaufsteher-Mutante, deren endogener Rhythmus mit einer Periode von 20 Stunden schwingt. Werden die Uhren (SCN) der Mutante und die Uhr (SCN) eines langschlafenden Normaltiers wechselseitig ausgetauscht, wird das Normaltier zum Frçhaufsteher und die Mutante wird zum çblichen Langschlåfer. Wird die elektrische Aktivitåt des SCN pharmakologisch stillgelegt (Versuche an Ratten), låuft die Uhr trotzdem weiter. Die oben (Kap. 13.2.1) beschriebene biochemische Uhr steuert die elektrischen Aktivitåten, ohne von diesen abhångig zu sein. Herausgelæste SCN-Zellen behalten in der Zellkultur rhythmische Aktivitåten; die circadiane Uhr ist zellautonom. Der SCN scheint seinerseits ein hormonelles Signal auszusenden; denn ein transplantierter SCN çbte seine rhythmusgebende Wirkung noch aus, wenn er verpackt wurde in eine Hçlle, die gelæste Stoffe durchlieû aber die Wiederherstellung synaptischer Kontakte verhinderte. Von Zeit zu Zeit tauchen in der Literatur neu entdeckte Kandidaten auf, die als hormonåhnliche Synchronisatoren in Betracht gezogen werden. Sich derzeit auf eine Kandidatenkçr einzulassen, hieûe heute diese und morgen jene Hypothese vorstellen zu mçssen. Synchronisatoren kænnten auch långst bekannte Transmitter und Neurohormone sein. 13.3.5 Die Synchronisation der Zentraluhr mit dem Sonnenstand geschieht çber ungewæhnliche Photopigmente Wåhrend in der Fliege jede circadian tåtige Zelle dank ihres Cryptochromgehalts grundsåtzlich in

13.4 Schlafen und Wachen

der Lage ist, sich an den natçrlichen oder einen kçnstlich vorgegebenen Hell-Dunkel-Wechsel anzupassen, und das Pinealorgan der Nichtsåuger mit eigenen Photorezeptoren ausgestattet ist, ist der SCN auf Meldungen der Augen angewiesen. Zwar werden im SCN der Såuger ebenfalls cryGene exprimiert, und CRY-Proteine sind Bestandteile des Uhrwerks. Doch sitzt der SCN so tief im Schådel, dass ihn selbst kein Licht erreicht. CRY findet sich auch in der Retina. Mausmutanten lassen allerdings zweifeln, ob bei Såugern CRY fçr die Licht-gesteuerte Nachstellung der Uhr verantwortlich, oder allein verantwortlich ist. Aber auch die bekannten Photorezeptoren, die fçr das Sehen benætigten Ståbchen und Zapfen, kommen wohl nicht in Betracht. Eine blinde Mausmutante ohne Ståbchen und Zapfen folgt einem entrainmentProgramm; ihre Uhr låsst sich durch Licht verstellen. Seit 2000 richtet sich das Augenmerk der Biorhythmusforscher auf retinale Neurone (Ganglienzellen), die Lichtinformation auswerten und an das Gehirn weiterleiten. Manche sind mit einem direkten Draht mit dem SCN verbunden und enthalten einen neu entdeckten Sehfarbstoff der Opsinklasse, genannt Melanopsin. Das entsprechende Gen wird nur in einigen Ganglienzellen der Retina, nicht aber in den klassischen Photorezeptoren, den Ståbchen und Zapfen, exprimiert, und auch sonst nirgendwo im Kærper. Drei gewichtige Argumente zugunsten dieser Melanopsin-bestçckten Neurone, erhoben aus Experimenten mit Måusen, wurden vorgetragen: (1) Måuse ohne Ståbchen und Zapfen kænnen noch an einen verånderten Belichtungszyklus angepasst werden. (2) Das Aktionsspektrum fçr die Anpassung der Uhr (phase-shift curve) stimmt mit dem Absorptionsspektrum von Melanopsin çberein. (3) Ausschalten des Gens durch knockout-Mutation låsst ein Nachjustieren der Uhr nicht mehr zu (Reppert u. Weaver 2001).

13.3.6 Die Synchronisation der peripheren Uhren wird vermutlich vom autonomen Nervensystem und mehreren Hormonen vermittelt Die zentrale Schrittmacheruhr der Såuger ist also einerseits çber einen retino-hypothalamischen Nerventrakt mit dem Auge als Beleuchtungsmesser verbunden (Abb. 13.4); andererseits gibt es Faserzçge hin zu den Ursprçngen des vegetativen Nervensystems. Von sympathischen Ganglien im Bereich des Nackens steigen Bahnen kopfwårts hinauf zum Pinealorgan (Epiphyse). Der SCN ist selbst ein Teil des Hypothalamus, dem zentralen Steuerorgan vegetativer Funktionen und der obersten Steuerzentrale des Hormonsystems. Demzufolge kommen als Synchronisatoren der peripheren Uhren neben dem Melatonin der Epiphyse auch andere Hormone wie das tagesperiodisch freigesetzte ADH/Vasopressin der Neurohypophyse, das Adrenocorticotrope Hormon ACTH der Adenohypophyse und sogar sympathische und parasympathische nervale Leitungen in Betracht. So kænnte çber ACTH wie auch çber sympathische Fasern die Nebenniere an den zentralen Taktgeber angekoppelt sein. ACTH regt die Nebennierenrinde an, Cortisol freizusetzen. Bei beiden Hormonen wird die hæchste Blutkonzentration frçhmorgens gemessen (Abb. 13.4). Cortisol dçrfte jener Vermittler sein, der tagesperiodische Aktivitåten des Immunsystems steuert und koordiniert.

13.4 Schlafen und Wachen 13.4.1 Schlafen wird nur bei Tieren mit hæher entwickeltem Zentralnervensystem beobachtet, ist bei ihnen aber lebensnotwendig: In Schlafperioden werden ATP-Akkus wieder aufgeladen und stærender Abfall entsorgt Der Sçûwasserpolyp Hydra und die Qualle schlafen nicht. Sie zeigen zwar tagesperiodische Akti-

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

vitåten ± leuchtende Quallen beispielsweise schalten nur nachts ihr Licht ein ±, kommt aber ein kleiner Krebs vorbeigeschwommen, wird er unverzçglich gefangen und gefressen, ob es nun Tag oder Nacht ist. Schlaf wird beobachtet bei Tieren, die ein Zentralnervensystem mit Millionen und Milliarden Zellen besitzen. Såuger sind bald zu Tode gequålt, wenn man ihnen den Schlaf entzieht. Man hat viel geråtselt und tut es noch, was der Schlaf soll. Manche bunten Spekulationen gehen vællig fehl, weil sie Schlaf mit Traum gleichsetzen. Welche Bedeutung Tråumen hat, ist tatsåchlich råtselhaft. Plausible physiologische Grçnde fçr Schlafen sind indes leicht zu finden. In Zentralnervensystemen sind die Versorgung mit Energie und Sauerstoff und die Entsorgung von Stoffwechselendprodukten miserabel. Andererseits ist der Energiebedarf der feuernden Nervenzellen sehr hoch. Ihre ATP-Akkus sind nach einigen Stunden Betriebszeit entladen. Das ZNS braucht eine Erholungszeit, um seine ATP-Akkus nachzuladen, um schådliche Produkte zu entsorgen. Alkohol ist ein unphysiologisches schådliches Produkt, das als Modell fçr physiologische dienen kann. Alkohol macht mçde. Erst wenn er abgebaut ist, wird man wieder munter. Die Suche nach natçrlichen Schlafmitteln (,Schlafhormone`) ist seit langem im Gang, bisher ohne abschlieûendes Ergebnis. Noch immer wird von amerikanischen pharmazeutischen Firmen Melatonin als Schlafhormon angepriesen. Vielleicht hilft es dem einen oder anderen çber den Glauben. Von Zeit zu Zeit kommen weitere und neue Kandidaten fçr physiologische Schlafmittel in die Diskussion, so das Stoffwechselprodukt Adenosin, das beispielsweise bei vollståndiger Entladung des ATP-Akkus çbrig bleibt. Adenosin reichert sich im Stammhirn wåhrend des Wachzustandes an und wird wåhrend des Erholungsschlafes beseitigt. In einer bestimmten Region des Stammhirns aus einer kçnstlichen Quelle durch Mikrodiffusion freigesetzt, wirkt Adenosin als Schlafmittel. Andere in die Diskussion gebrachte natçrliche, schlafinduzierende Substanzen sind Prostaglandin D2 und ein Fettsåure-Derivat, Oleamid. Man muss in Geduld abwarten, bis der Arzt natçrliche Schlafmittel verschreiben kann.

Weitere Grçnde fçr die Notwendigkeit von Schlafperioden werden von Gedåchtnisforschern vermutet. Zur Konsolidierung des Langzeitgedåchtnisses brauche das Gehirn seine Ruhe. 13.4.2 Hirnstromkurven enthçllen bemerkenswerte Spezialitåten: Beim Menschen wechseln Phasen des REM-Schlafes mit Non-REM-Phasen ab; Delphine lassen linkes und rechtes Gehirn abwechselnd schlafen Der Schlaf des Menschen geschieht in periodisch sich abwechselnden Phasen, die sich mit den Geråtschaften des Elektrophysiologen (s. Kap. 14) registrieren lassen. Phasen des Tiefschlafes wechseln mit Phasen, in denen rasche Bewegungen der Augen unter den geschlossenen Lidern (rapid eye movements REM) lebhafte (Traum)-Aktivitåten des Gehirns anzeigen. Die çbrige Motorik des Kærpers bleibt schlaff (von den Betreibern des vegetativen Lebens wie Atemapparat und Herz abgesehen). Als typisch gilt das Alternieren von zwei Tiefschlaf- und zwei REM-Phasen pro Nacht. Die Bedeutung dieses Wechselspiels ist nicht bekannt. Luftatmende, aber im Wasser lebende Tiere mçssen sich originelle Schlafmethoden einfallen lassen, wenn Nase und Maul nicht fçr immer unter der Wasseroberflåche verschwinden sollen. Delphine, Wale und andere Meerestiere lassen die linke und rechte Hirnhålfte abwechselnd schlafen. Erkennbar ist dies an dem Wechselspiel der REM- und Non-REM-Phasen zwischen linker und rechter Hirnhålfte.

13.5 Stoppuhren und Taktgeber 13.5.1 Dem Dirigenten und Schlagzeuger ginge die 24-h-Uhr viel zu langsam Menschen, aber auch viele Tiere, haben die Fåhigkeit, in kurzen, sehr regelmåûigen Intervallen

13.4 Schlafen und Wachen

Handlungen zu wiederholen. Bei manchen Vægeln læsen sich Mann und Frau in festgelegten Stunden-Intervallen im Brutgeschåft ab. Im Experiment des Verhaltensforschers zeigen sich Vægel in der Lage, recht genau beliebig vorgegebene Intervalle zwischen zwei kurz aufeinanderfolgenden Ereignissen abzuschåtzen. Fçr all solche Fåhigkeiten kann die langsame 24-h-Uhr kaum den Takt geben, schon gar nicht bei noch hæheren Rhythmen. Specht und Schlagzeuger kænnen ungeheuer pråzise extrem schnelle Tempi einhalten.

Zusammenfassung des Kapitels 13 Nahezu alle Organismen folgen nicht nur passiv dem Tagesgang des Lichtes mit Phasen der Aktivitåt und der Ruhe, sondern stellen sich dank innerer Uhren in vielen ihrer physiologischen Funktionen vorbereitend auf periodische Wechsel der Umweltgegebenheiten ein. Sogar einzelne in Kultur gehaltene Zellen von Pflanzen und Tieren kænnen tagesperiodische Muster in Enzymaktivitåten oder in der Erzeugung elektrischer Impulse zeigen, und dies auch unter konstanter Beleuchtung und gleich bleibenden Umweltbedingungen. Die innere Uhr ist circadian, d. h. hat eine spontane Gangperiode von ungefåhr 24 h, ist temperaturkompensiert, begrenzt verstellbar und wird in der Regel durch Licht mit dem Naturtag synchronisiert. Die molekulare Konstruktion der circadianen Uhr wurde bei Drosophila aufgedeckt und ist in åhnlicher Weise auch in Zellen der Såuger verwirklicht. Morgens werden (mindestens) zwei Gene aktiviert und liefern zwei Proteine, PER und TIM bei Drosophila, PER und CRY in Såugerzellen. Gegen Abend haben sich diese Proteine im Cytoplasma çber einen kritischen Schwellenwert angereichert, bilden PER/TIM-

13.5.2 Die Stoppuhr ist neuronal und wird in Basalganglien vermutet Viel mehr als der Titel dieses Abschnittes hergibt, ist gegenwårtig noch nicht zu sagen. Die Basalganglien sind Teil des evolutionsgeschichtlich alten Stammhirns, und manche der Basalganglien sind an der Auslæsung und Koordination von Muskelbewegungen beteiligt. Die Stoppuhr ± wenn es denn eine Uhr geben sollte ± muss Eingånge fçr Information von den Sinnesorganen haben und mit dem Gedåchtnis verbunden sein. Der Musiklehrer gibt einen Rhythmus vor, der Schçler spielt ihn nach.

bzw. PER/CRY-Heterodimere, dringen als solche in den Zellkern und schalten im Sinne einer negativen Rçckkoppelung ihre eigenen Gene ab. Nachts werden diese heterodimeren Repressoren abgebaut, sodass morgens neue Genaktivitåten in Gang kommen kænnen. In der Fliege wie im Wirbeltier gibt es mehrere Zellen und Gewebe, die mit eigenem Uhrwerk ausgestattet sind. Beim Menschen schwanken Kærpertemperatur, die Konzentration verschiedener Hormone im Blut (Wachstumshormon, ADH, ACTH, Cortisol), Aktivitåten des Immunsystems und Enzymaktivitåten der Leber tagesperiodisch. Zentraluhren im Gehirn synchronisieren die Einzeluhren. Die circadianen Gehirnneurone in der Fliege werden mittels Cryptochrom, einem Blaulichtsensor, an den Tagesgang gekoppelt, bei Reptilien und Vægeln besitzt das Pinealorgan (Epiphyse) des Zwischenhirns Lichtrezeptoren und sendet das synchronisierende Hormon Melatonin aus, ein Hormon, das auch im Såuger nachts von der Epiphyse ausgesandt wird. Im Såuger hat sich aber eine neue Zentraluhr etabliert, der Suprachiasmatische Nucleus SCN des Hypothalamus. Dieser ist in direkter Leitung mit dem Auge verbunden, wo bestimmte Retina-

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13 Biorhythmik I: Circadiane Rhythmen und innere Uhren

neurone mit einem speziellen Pigment, dem Melanopsin, die Funktion eines Lichtsensors çbernommen haben. Vom SCN werden die Epiphyse und die peripheren Uhren vermutlich indirekt çber Hormone der Hypophyse und das vegetative Nervensystem synchronisiert. Neben 24 h-Uhren gibt es im Gehirn Stoppuhren mit hoher Taktfrequenz.

Schlafphasen, beim Menschen hauptsåchlich die Tiefschlaf-(Non-REM-)Phasen, dienen u.a. dazu, erschæpfte Nervenzellen des Gehirns wieder mit Energie aufzuladen. Delphine und andere Meeressåuger lassen linkes und rechtes Gehirn abwechselnd schlafen.

14 Bioelektrische Signale

Luigi Galvani, Anatom an der Universitåt Bologna, beobachtete 1789 wie ein enthåutetes Froschbein, das mit einem Kupferhaken nahe dem Balkongelånder aufgehångt war, jedes Mal zusammenzuckte, wenn das Bein mit dem Eisengelånder in Berçhrung kam. Auch wenn wir diese geisterhafte Erscheinung hier nicht im Einzelnen erklåren, wird die Mehrzahl der Leser erkennen, dass hier offensichtlich ein ¹galvanisches Elementª seine Geisterhand im Spiele hatte, sich zwischen Kupfer und Eisen çber den feuchten, elektrolythaltigen Muskel hinweg eine elektrische Spannung aufbaute und Elektronen vom Eisen çber den Muskel (oder den zufçhrenden motorischen Nerven) zum Kupfer floss. Dieser Strom hatte in den Muskelzellen oder im motorischen Nerven bioelektrische Signale in Form von Aktionspotentialen ausgelæst, welche ihrerseits die Kontraktion des Muskels veranlassten.

Der fleiûige Galvani ersann vielerlei Versuche und kam zu dem Schluss, dass es im tierischen Kærper eine eigene Art Elektrizitåt gåbe, ein zartes Fluidum, das vom Gehirn durch die Nerven zum Muskel stræme. Galvanis Anhånger, Alessandro Volta, erkannte dann, dass in diesen speziellen Versuchen die zwei unterschiedlichen Metalle den auslæsenden Strom erzeugten. Es gibt jedoch durchaus bioelektrische Signale, und davon ist im Folgenden die Rede. Seit jenen aufregenden Tagen ist es um den Frieden des Froschmuskels geschehen. Heute noch werden alljåhrlich in physiologischen Grundkursen Beinpråparate von Fræschen (oder von der gezçchteten Krallenkræte Xenopus) aufgehångt und mit Stromstæûen zur Kontraktion stimuliert (nicht im Institut der Autoren dieses Buches). Artifiziell ist der Versuch noch immer insoweit, als Stræme von Elektronen nicht die natçrlichen biologischen Stræme repråsentieren.

Elektrische Spannungen indes sind immer im Spiel. Um die elektrischen Aspekte des Phånomens zu verstehen, brauchen wir nicht das ¹Fluidum der tierischen Elektrizitåtª des Luigi Galvani, nicht den ¹tierischen Magnetismusª des Wunderheilers Messmer und nicht die ¹Energieauraª des Esoterikers zu bemçhen. Fçr ein erstes Grundverståndnis gençgen die Physikkenntnisse aus der Mittelstufe des Gymnasiums, ergånzt durch einige Erlåuterungen zur spezifischen Terminologie und Messtechnik des Elektrophysiologen (Box K 14.1). Was wir erarbeiten mçssen, ist ein Grundverståndnis der Phånomene l

Ruhepotential,

l

graduierte lokale Potentiale, die eine erste Codierung von Information in der Sprache des Sinnes-Nervensystems widerspiegeln,

l

nichtgraduierte aber fortgeleitete Aktionspotentiale, die zur Fernçbertragung codierter Information eingesetzt werden.

14.1 Wie eine elektrische Membranspannung entsteht 14.1.1 Lebende Zellen sind in aller Regel im Inneren negativ geladen Man verbindet eine Mikroelektrode, d. h. eine mit Elektrolytlæsung (Kaliumchlorid KCl) gefçllte spitze Glaskapillare, mit einer Messanordnung, die es erlaubt, auch kleinste elektrische Spannungen trågheitsfrei zu registrieren und auf dem

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14 Bioelektrische Signale

BOX K 14.1

Ein Minimum an Elektrophysik und Elektrotechnik aus der Sicht des Physiologen Es geht in der Elektrophysiologie wie in der Physik um elektrische Stræme, Spannungen und Felder. Der Physiologe hat jedoch mit Phånomenen zu tun, die im Schulbuch der Physik allenfalls am Rande behandelt werden, und er bençtzt mitunter physikalisch klingende Begriffe, wie z. B. ¹Einwårtsstromª, die dem Physiker oder Techniker in der Regel fremd sind. Strom. Schon beim Grundbegriff Strom hat der Physiologe seine eigene Vorstellung. Mit dem Physiker und Techniker ist er sich zwar einig, dass Strom Fluss elektrischer Ladung ist. Er wird sich diesen Fluss jedoch immer als Fluss von Ionen vorstellen. An Elektronen als Ladungstråger wird er in der Regel nur denken, wenn er sich mit seinen elektronischen Messgeråten beschåftigt. Strom, der zur Codierung und Weiterleitung von Information im Kærper benutzt wird, ist Fluss von Ionen, nicht Fluss von Elektronen. Nervenfasern sind in dieser Hinsicht nicht mit Telefonkabeln gleichzusetzen. Es gibt in der Zelle auûer Ionenflçssen durchaus auch Elektronenflçsse, aber nur çber sehr kurze Strecken; beispielsweise in der Atmungskette der inneren Mitochondrienmembran. Fçr Fernçbertragungen fehlen gute und gegençber ihrer Umgebung vællig isolierte Leiter.

Ionen existieren als positiv geladene Kationen und als negativ geladene Anionen. Demzufolge gibt es in der Physiologie wie in Læsungen von Elektrolyten sowohl Flçsse von positiven wie von negativen Ladungstrågern, je nachdem, ob sich Kationen oder Anionen auf den Weg machen. Vielfach machen sich beide auf den Weg, die Kationen in die eine Richtung, die Anionen in die Gegenrichtung. Beispielsweise kænnten durch Kanåle der Zellmembran Kationen in die Zelle hinein, durch andere Kanåle Anionen aus der Zelle hinaus stræmen. Was wåre da die Stromrichtung, was wåre die Stromstårke?

Stromrichtung. Vereinbarungsgemåû orientiert man sich bei der Festlegung der Stromrichtung an der Flussrichtung der positiven Ladung. Also ist die Stromrichtung die Richtung, in der die Kationen flieûen. Was ist nun aber mit den Anionen ± sie tragen ja auch elektrische Ladung? Die offizielle Stromrichtung ist zugleich die Gegenrichtung zu der Richtung, in der sich die Anionen bewegen. In der Physiologie sind die Orte, an denen Ionenflçsse von ganz besonderer Bedeutung sind, feinste Kanåle durch Zellmembranen. Es ist eine Besonderheit solcher Kanåle, dass sie in aller Regel ionenspezifisch sind. Ein Chloridkanal låsst nur negativ geladene Chlorid-Ionen durch, und bei ihm ist der buchhalterische Stromfluss gemåû der physikalischen Definition zur Gånze der tatsåchlichen Flieûrichtung der Ladungstråger entgegengesetzt! Der Einwårtsstrom des Elektrophysiologen ist ein Einstrom von Kationen in die Zelle und/oder ein Ausstrom von Anionen aus der Zelle (das Messgeråt kann das im Regelfall nicht unterscheiden). Was Auswårtsstrom heiût, kann man nun leicht selber ableiten. Stromstårke. Man sitzt vor dem Kanal und zåhlt die Menge der Kationen, die in die Zelle pro Zeit hineinstræmen, und addiert die Menge der Anionen, die aus dem Kanal herauskommen. Es ist dann noch zu vermerken, ob wir einwertige (einfach geladene) Ionen wie Na+ und K+ gesehen haben oder zweiwertige Ionen wie Ca2+. Ist Q die Ladungsmenge, so ist die Q Stromstårke I ˆ t (in Ampere, 1 A = 1 Coulomb/s). Stromstrecken. In lebenden Geweben bewegen sich Ionen im Allgemeinen nur çber kurze Strecken: durch Zellmembranen und vielleicht noch 1 lm weiter. Wie man trotzdem zu Fernleitung von Information kommt, wird noch erlåutert werden ± es werden sich dabei Spannungsånde- "

14.1 Wie eine elektrische Membranspannung entsteht

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BOX K 14.1 (Fortsetzung)

rungen fortpflanzen und nicht wie in den elektrischen Fernleitungen des Kraftwerks Stræme çber groûe Strecken flieûen. Potential, Spannung und Widerstand. Damit elektrische Ladung flieût, braucht man ein Gefålle. Die Ladungstråger mçssen zuvor auf eine ¹Hæheª angehoben werden. Maû der Hæhe bzw. der Ûberfçhrungsarbeit, die gebraucht wird, die Ladung auf die Hæhe zu bringen, ist das elektrische Potential. Potential meint die potentielle Energie, die eine Ladungseinheit in sich birgt. Mechanik Die auf 1 kg bezogene potentielle Lageenergie heiût Potential U

Elektrizitåt Die auf ein Coulomb bezogene potentielle Energie heiût Potential U Im Gravitationsfeld der Bei einer Feldstårke Erde hat ein Objekt E = 50 N/C hat eine von 1 kg auf 2 m Ladung von 1 Coulomb angehoben um 20 cm angehoben ein Potential von ein Potential von U U = gh = 20 J/kg = Eh = 10 J/C = 10 Volt Potentialgefålle ermæglichen in beiden Fållen Flçsse. Ein Potential als solches freilich låsst noch kein Wasser und keinen elektrischen Strom flieûen. Ein Bergsee kann unbeweglich still sein. Man braucht eine Potentialdifferenz zwischen zwei Orten, und es darf kein unçberwindliches Hindernis (Widerstand) dazwischen liegen. Eine elektrische Potentialdifferenz heiût im Alltagsdeutsch (elektrische) Spannung. Um unsere Vorstellung çber Spannung und Strom durch analoge, bekannte mechanische Erscheinungen stçtzen zu kænnen, bedienen wir uns zweier Modelle: Modell 1: Flçssigkeitskreislauf. Dabei kann man sich je nach persænlicher Vorliebe einen Hydraulikkreislauf (Abb. 14.1) oder den Blutkreisauf vorstellen. Das schlichte Modell macht deutlich, warum und wie Strom in technischen Geråtschaften flieût (ist aber fçr das Verståndnis

Abb. 14.1. Stromkreis versus Hydraulikkreislauf

von Vorgången an biologischen Membranen weniger geeignet). Strom, ob Flçssigkeitsstrom oder elektrischer Strom, flieût nur dann, wenn eine Druckdifferenz bzw. eine Potentialdifferenz den nætigen Antrieb verschafft. Potentialdifferenz heiût im Alltagsleben Spannung. Elektrische Spannung ist (im Allgemeinen) die Potentialdifferenz zwischen dem betrachteten Ort (1. Messpunkt) und der Erde als Referenz (2. Messpunkt). Den "

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14 Bioelektrische Signale

BOX K 14.1 (Fortsetzung)

Druck bzw. die Spannung messen wir in Pascal bzw. Volt. Håufig misst der Elektrophysiologe die Spannung zwischen dem Zellinneren und dem geerdeten Auûenmedium (s. Abb. 14.4), dem schlichtweg per Definition der Potentialwert Null zugeschrieben wird. Modell 2: Gespannte Federn. Positive und negative Ladungen ziehen sich an. Kationen und Anionen ziehen sich an; sie sind durch eine Feder (elektrisches Feld) miteinander verbunden. Um sie auseinander zu ziehen (Ûberfçhrungsarbeit), braucht man Kraft. Man muss die Feder spannen (Abb. 14.2). Es herrscht nun eine ¹Spannungª; es ist in der Feder ¹potentielleª Energie gespeichert. Die Feder will sich zusammenziehen, mæchte ihre potentielle Energie in kinetische umwandeln. Will man das verhindern, muss man eine unbewegliche Sperre (Widerstand) anbringen. Im Falle lebender Zellen ist diese Sperre die Zellmembran. Sie scheidet Kationen von Anionen. Wie alle Modelle aus einer anderen physikalischen Welt hat auch dieses Modell eine groûe Schwåche. Um eine Feder auseinander zu ziehen, brauche ich mehr und mehr Kraft, je stårker sie schon gedehnt ist. Im elektrischen (wie im magnetischen) Feld ist es umgekehrt. Zur anfånglichen Trennung der Ladung brauche ich viel Kraft. Sind die Ionen weit genug voneinander entfernt, ist die Anziehungskraft so gering, dass die Ionen unbehelligt weiter weg driften (diffundieren) kænnen.

Eine Spannung bleibt nur çber einen Widerstand erhalten. Bei Læsen des Widerstandes schnurrt die Feder zusammen; es bricht die Spannung zusammen. Wird der Widerstand der Zellmembran aufgehoben ± synonym: wird die Leitfåhigkeit der Zellmembran erhæht ± stçrzen Anionen und Kationen aufeinander zu. Die Spannung bricht zusammen. Die sich bewegenden Ionen sind zugleich das, was wir oben mit dem Physiker als Strom bezeichnet hatten.

Abb. 14.2. Spannung durch Ladungstrennung. Die gespannte Feder symbolisiert die elektrische Spannung (Potentialdifferenz)

Eine Gruppe von Federn zwischen Gruppen von Ionen entspråche einem elektrischen Feld græûerer Dimensionen. Nun aber mçssen wir unser einfaches Modell erweitern. Nur Kationen und Anionen ziehen sich an. Zwischen gleichnamig geladenen Ionen (Kationen und Kationen, Anionen und Anionen) mçssen wir andere Federn einspannen ± nicht gedehnte Zugfedern, die zusammenschnurren wollen, sondern ge- "

14.1 Wie eine elektrische Membranspannung entsteht

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BOX K 14.1 (Fortsetzung)

stauchte Druckfedern, die expandieren und die Ladungen voneinander wegdrçcken wollen. Auch solche Federn tragen zum elektrischen Feld und damit zur messbaren Spannung bei (Abb. 14.3). Im Weiteren wollen wir Messgeråte einsetzen, und solange wir dies tun, werden wir uns zur Erleichterung unserer Vorstellung mehr an das Modell 1, dem Modell mit dem Flçssigkeitskreislauf, halten. Und wir erinnern uns an den Physikunterricht der Schule: Das Ohmsche Gesetz: I = U/R I = Stromstårke in A (Ampere) U = Spannung in V (Volt) R = Widerstand in X (Ohm) In der Form R = U/I = V/A (Ohm)

ist das Ohmsche ¹Gesetzª nichts anderes als die Definition des elektrischen Widerstandes und als solche erst mal nur fçr den Schulunterricht von Interesse oder fçr das Verståndnis von Messgeråten wichtig. Wenn jedoch plætzlich der Widerstand der Zellmembran sinkt und sich entsprechend die Leitfåhigkeit der Membran (1/R) erhæht, deutet dies auf eine Úffnung von Ionenkanålen. Die Úffnung tut sich dadurch kund, dass eine bestimmte Prçfspannung plætzlich einen hæheren Stromfluss erzeugt. Potential(differenz)-Messung. Will ich Drçcke/ Spannungen messen, muss ich die Leitung am 1. Messpunkt anzapfen und etwas Strom durch mein Messgeråt zum 2. Messpunkt flieûen lassen. Schlieûlich brauche ich etwas Energie, um das Messgeråt zu betreiben. Aber zuviel Strom darfs nicht sein, sonst bricht der Druck in der Hauptleitung zusammen. Der Innenwiderstand des Voltmeters muss betråchtlich græûer sein als der Widerstand in der Hauptleitung. In der Physiologie benutzt(e) man seit Jahrzehnten als Voltmeter den rasch und trågheitslos reagierenden Oszillographen (Oszilloskop). Der hat aber in aller Regel einen zu geringen Innenwiderstand. Ohne Vorschaltwiderstand (¹Probeª-Kopf, hochohmiger Vorverstårker) kænnte meine Messanordnung das Zellinnere mit dem Zellåuûeren ¹kurz schlieûenª. Es flæsse Strom vom Auûenmedium durch mein Geråt in die Zelle hinein (oder in umgekehrter Richtung), bis das Potential der Zelle dem Auûenpotential angeglichen, die Potentialdifferenz folglich auf Null zusammengebrochen ist. Heute sind çberwiegend speziell fçr den Elektrophysiologen entwickelte, elektronische Messgeråte in Gebrauch, die mit dem PC verbunden werden. Der Monitor des PC, der eh nach dem gleichen Prinzip wie der Oszillograph funktioniert, wird zum Anzeigegeråt.

Abb. 14.3. Ionenbewegungen im elektrischen Feld. Modell

Die Sonden (probes), die ich an den 1. und den 2. Messpunkt anlege, nennt man çblicherweise in der Elektrophysiologie Elektroden. In der Praxis zieht man zur Herstellung der 1. MessSonde, der ¹aktivenª oder ¹intrazellulårenª Elektrode, eine Glaskapillare bei der Schmelz-

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14 Bioelektrische Signale

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temperatur des Glases zu einer spitzen Mikropipette aus, deren mikroskopisch feine Spitze eine Úffnung mit einem Durchmesser von 0,5 bis unter 0,1 lm hat. Die Mikropipette wird mit einer leitenden Flçssigkeit (KCl-Læsung) gefçllt und durch eine Elektrode aus Silber-Silberchlorid mit dem ersten Eingang eines hochohmigen Vorverstårkers verbunden. Dieser wiederum ist mit dem Rechner verkabelt. Der zweite Eingang wird ebenfalls mit einer Elektrode aus Silber-Silberchlorid verbunden. Diese ¹inaktiveª oder Referenz-Elektrode taucht in das gepufferte Bad ein, in dem sich das Pråparat befindet, und ist geerdet. Die spitze aktive Elektrode wird mit einem kurzen, wohldosierten Stoû durch die Zellmembran gestochen, sodass sie aus dem Zellinneren Strom herausfçhren und dem Vorverstårker zufçhren kann (Abb. 14.4). Silber-Silberchloridelektroden werden verwendet, weil sie ein konstantes elektrisches Potential in einer physiologischen Salzlæsung haben; einfache Metalldråhte wçrden in dieser Læsung korrodieren und dabei ståndig ihre elektrischen Eigenschaften veråndern. Die eingestochene Elektrode muss von der Zellmembran dicht umschlossen sein, damit kein Leck einen Kurzschluss zwischen Zellinnerem und dem åuûeren Bad verursacht. Wie man Stromrichtung und Stromstårke experimentell beeinflusst. Man macht sich das Prinzip der elektrostatischen Anziehung zunutze. Gleichnamige Ladungen stoûen sich ab, ungleiche Ladungen ziehen sich an. Mit einer negativ geladenen Kathode ziehe ich positiv geladene Kationen an und stoûe zugleich und unvermeidlich die negativen Anionen ab. Und umgekehrt: mit der positiv geladenen Anode ziehe ich negativ geladene Anionen an, aber verjage gleichzeitig und unvermeidlich Kationen. Ob Kathode oder Anode: sie heiûen in der Praxis wieder mal Elektroden. Eine Elektrode, mit der ich Spannungen messe, kann blitzschnell in eine Kathode oder Anode verwandelt werden, wenn ich sie mit einer externen Spannungsquelle (z. B.

Batterie) verbinde. Die Polaritåt der elektrischen Spannung, die ich von einer Spannungsquelle beziehe, bestimmt, ob meine Elektrode als Kathode oder Anode wirkt. Die Stårke der Spannung bestimmt, bei gegebenem Widerstand, die Menge der sich bewegenden Ionen, also die Stromstårke, die ich mit meinen Elektroden erzeugen kann. Messung der Stromstårke. Will ich die Stromstårke messen, muss ich mein Messgeråt so in den Stromkreis einbauen, dass der gesamte Strom durch das Messgeråt flieût (Abb. 14.1). Das ist in der Physiologie ein schwieriges Unterfangen; denn die Stræme flieûen durch zahlreiche Ionenkanåle der Zellmembran mit wenigen Nanometern Durchmesser. Man hat sich hier das indirekte Verfahren der Voltage-clamp-Technik einfallen lassen (Abb. 14.5 a). Flieût Strom (I) aus der Zelle heraus (Ûbungsfrage: Was heiût das nun?), so schicke ich einen Gegenstrom (±I) in die Zelle hinein, dessen Stårke so bemessen ist, dass er den Auswårtsstrom gerade kompensiert. Die Spannung zwischen Zellinnerem und Zellåuûeren åndert sich also trotz Stromfluss nicht (daher ¹voltage clampª = ¹Spannungsklemmeª). Den Strom, den das Geråt als Gegenstrom aktiv in die Zelle pumpt (±I), kann ich mit einem Amperemeter messen. Die Stårke des einwårts gerichteten Gegenstroms ist ja immer gleich der Stårke des Auswårtsstroms, der die Zelle verlåsst, nur dass seine Polaritåt umgekehrt ist. Die Geråte sind so konstruiert, dass ich selbst wåhlen kann, welche Membranspannung festgehalten werden soll (set clamp, Sollspannung). Das Geråt misst durch seine Mikroelektrode den natçrlich flieûenden Strom, und blitzschnell errechnet ein Regler (feedback amplifier, Rçckkoppelungsverstårker), wie viel Strom in die Zelle geschickt werden muss, damit die gewçnschte Sollspannung erhalten bleibt. Mit dem Voltageclamp-Verfahren kann man die Membranleitfåhigkeit und die Ionenstræme durch die Zell- "

14.1 Wie eine elektrische Membranspannung entsteht

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membran bei vorgegebenem, konstantem Membranpotential untersuchen. Ist man an dem natçrlichen Membranpotential interessiert, zum Beispiel am Aktionspotential einer Nervenzelle, benutzt man ein anderes Messverfahren, die Stromklemme (Abb. 14.5 b). Hierbei sorgt ein Geråt dafçr, dass die Ableitelektrode immer dasselbe Potential wie die Zelle hat (so dass zwischen Zelle und Elektrode kein Strom flieût = ¹Stromklemmeª). Dabei wird das Membranpotential aufgezeichnet, und man kann Ruhe- und Aktionspotential untersuchen. Eine Verfeinerung der SpannungsklemmenTechnik, die es ermæglicht, den tatsåchlich durch einen einzelnen Ionenkanal flieûenden Strom zu messen, ist die Patch-clamp-Technik (fçr die Erwin Neher und Bert Sakmann 1991 den Nobelpreis erhielten). Die Spitze der Elektrodenkapillare ist (durch Feuerpolieren) abgerundet; die Kapillare ist mit einer Saugvorrichtung verbunden. Man saugt ein kleines Stçck (patch) der Zellmembran an. Hat man Glçck, enthålt dieses Stçck gerade einen Kanal (Abb. 14.6). Fçr manche Untersuchungen kann man ein solches Patch aus der Zelle herausreiûen und die Saugelektrode mitsamt diesem Patch in eine willkçrlich zubereitete Læsung tauchen. Ob nun der Kanal noch in der intakten Zelle steckt oder in einem herausgerissenen Patch, in beiden Fållen kann man nun messen, wieviel Strom durch den Kanal flieût, wenn man eine bestimmte Prçfspannung anlegt. Verschiedene Variationen der Technik erlauben es auch festzustellen, welche Art von Ionen durch einen zufållig erwischten Kanal flieûen kænnen, ob die Úffnung des Kanals von der angelegten Spannung unabhångig oder abhångig ist (Spannungs-gesteuerte Kanåle). Der Hinweis auf Ionenkanåle in der Zellmembran zeigt auch, dass das Bild des Flçssigkeitskreislaufs zum Verståndnis biologischer elektrischer Signale nicht viel beitrågt. Wir finden keine makroskopischen Leitungen, die als Stromkabel funktionieren wçrden. Die Nerven-

faser ist eben kein Kabel, durch das Strom von einem Ende zum anderen flæsse. Und wir finden auch keinen makroskopisch als Organ ausmachbaren Generator, von dem Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen ihren ¹Saftª bezægen. Eine Druck/Potential-Differenz muss von einer Quelle (Pumpe, Generator, Batterie) erzeugt werden. Im Nervensystem gibt es jedoch keine zentrale Ionenpumpe. Mikroskopische Ionenpumpen sind millionenfach entlang von Nervenund Muskelfasern aufgereiht. Sie aber erzeugen nicht direkt die Spannungen und Spannungsånderungen, die zur Codierung der Information benutzt werden (s. Kap. 14.2). Um die Quelle der elektrischen Membranspannung deutlich zu machen, haben wir oben das Bild mit den gespannten Federn eingefçhrt. Terminologische Eigenwilligkeiten des Physiologen. Merke: Das elektrische Potential im Labor des Elektrophysiologen ist eine Potentialdifferenz, d. h. eine elektrische Spannung, gemessen in Volt (bzw. mV). Aber Vorsicht: Oftmals meint der Physiologe gar nicht eine Spannung, sondern eine Spannungsånderung (in der Hydraulik entspråche dies einer Ønderung der Druckdifferenz). Das ist mit groûer Wahrscheinlichkeit immer dann der Fall, wenn er eine Vorsilbe oder ein Adjektiv zum Potential hinzufçgt: l

Aktionspotential,

l

Rezeptorpotential,

l

postsynaptisches Potential

sind (charakteristische) Spannungsånderungen. Nur das l

Ruhepotential ist eine gleichbleibende Spannung ± solange es nicht von der Zelle veråndert wird.

Ist eine Spannungsånderung transient und låuft sie sehr rasch ab, spricht der Physiologe von Spikepotentialen oder, wie der Techniker, von elektrischen Impulsen.

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14 Bioelektrische Signale

Bildschirm eines Rechners darzustellen (Abb. 14.4). Vor der Mikroelektrode liegt eine ¹erregbareª Zelle, d. h. eine Sinnes-, Nerven- oder Muskelzelle. Das Messgeråt in der Leitung zwischen dieser ¹aktivenª Mikroelektrode und der ¹passivenª Referenzelektrode zeigt im Augenblick noch Null Volt an, weil beide Elektroden in die gleiche Kulturflçssigkeit eintauchen. Nun sticht man die Spitze der Mikroelektrode mit einem kurzen wohldosierten Stoû durch die Zellmembran, sodass die vorne offene Spitze mit dem Innenraum der Zelle in leitende Verbindung kommt. In diesem Moment registriert der Rechner eine elektrische Spannung mit negativem Vorzeichen. Sie liegt je nach Zelltyp bei wenigen lV bis zu 100 mV. Der negative Spannungswert (z. B. ±90 mV) zeigt an, dass das Zellinnere gegençber der Pufferlæsung, in der sich die Zelle befindet

(und deren Potential durch Erdung ¹auf Null gelegtª worden ist), negativ ist. Der Physiologe sagt: ¹Ûber die Zellmembran fållt ein Potential von ±90 mV abª oder: ¹Diese Zelle hat ein Ruhepotential (resting potential) von ±90 mVª. Im Alltagsdeutsch heiût dies: ¹Zwischen Zellinnerem und dem (geerdeten) Auûenmedium herrscht eine elektrische Spannung von 90 mV, wobei das Zellinnere dem negativen Pol einer Batterie entspricht.ª Diese Ruhespannung ist eine stand-bySpannung (Bereitschaftsspannung), die eine rasche Reaktion der Zelle ermæglicht. Auch bei nichterregbaren Zellen misst man in der Regel eine Membranspannung mit dem Zellinneren als negativem Pol, doch sind solche Zellen weniger ¹spannendª: ihre Membranspannung ist geringer und langweilig gleichbleibend. Immerhin, der Zusammenbruch des Membranpotentials ist das schnellste Indiz eines Zelltodes.

Abb. 14.4. ¹Intrazellulåre Ableitungª, d. h. Messung der elektrischen Spannung zwischen Zellinnerem und dem geerdeten åuûeren Bad

14.1 Wie eine elektrische Membranspannung entsteht

14.1.2 Elektrische Membranspannungen beruhen auf der Ungleichverteilung von Kationen und Anionen In der Elektrophysiologie haben wir es mit Ionen und Ionenstræmen zu tun. Ionen liegen als positiv geladene Kationen (z. B. Na+) und negativ geladene Anionen (z. B. Cl±) vor. Trotzdem bekommt man keinen elektrischen Schlag, wenn man die Hand in eine Kochsalzlæsung (Na+ und Cl±) taucht. Nicht einmal ein hoch empfindliches Voltmeter misst in der (ruhenden) Kochsalzlæsung eine Spannung. Positive wie negative Ladungstråger stehen sich mikroskopisch sehr nahe und sind gleichmåûig in der Læsung verteilt. Ladungen heben sich daher im makroskopischen Maûstab auf. Wir messen jedoch eine Spannung, wenn es uns gelingt, Kationen von Anionen çber eine Membran zu trennen. Dabei gençgt eine unvollståndige Sortierung. Ich muss nur auf der einen Seite einen relativen Ûberschuss an Kationen, auf der anderen einen Ûberschuss an Anionen anhåufen. Das ist bei der Zellmembran der Fall. Im Zellinneren sind mehr negative Ladungen als durch Kationen kompensiert worden. Diese negativen Ladungen werden von Chlorid Cl±, von Phos± phat -PO2± 4 und von Carboxylgruppen -COO getragen. Phosphorylierte Proteine sind dank ihrer stark negativen Ladung, und weil sie die Zelle nicht verlassen kænnen, fçr das Entstehen des Membranpotentials von besonderer Bedeutung. Eine einmal aufgeladene Zellmembran ist eine Art Kondensator. Wir finden auf der Innenflåche der Membran negative Ladung angehåuft, auf der Auûenflåche positive. Die nur 10 nm dicke Lipid-Doppelschicht besitzt einen Widerstand von etwa 1000 Ohm cm2 und ist damit ein ausgezeichneter Isolator. Ein Potential von 90 mV çber eine Distanz von 5 nm entspricht einer Spannung von 200 000 Volt/cm. (Demgegençber setzen die Hochspannungsleitungen in unserer Landschaft Gradienten von 200 000 Volt pro Kilometer ein!) Wie aber wird die Membran aufgeladen?

14.1.3 Ionenpumpen in der Zellmembran schaffen eine erste Voraussetzung fçr die Entstehung eines Ruhemembranpotentials (resting potential) Student/Studentin hat zu lernen: Im Zellinneren gibt es mehr Kalium-Ionen K+, im Zellåuûeren mehr Natrium-Ionen Na+. Mit dem Austausch eines positiv geladenen Ions gegen ein anderes erreiche ich aber noch nichts. Die zuståndige Ionenpumpe, die Na+/K+-ATPase, transportiert nun aber fçr zwei K+, die sie in die Zelle schleust, drei Na+ nach auûen (Modell çber die Arbeitsweise dieser Ionenpumpe s. Abb. 3.11). Sie kann insofern elektrogen werden. Das allein macht's jedoch auch noch nicht. Die Hauptfunktion der Na+/K+ATPase ist es, dafçr zu sorgen, dass zu jeder Zeit innen 20- bis 30-mal mehr K+ als auûen, auûen etwa 10-mal mehr Na+ als innen sind. Die Aufrechterhaltung dieser Na+- und K+-Gradienten ist åuûerst wichtig; die Zelle investiert 30 bis 70% ihrer Energie allein in den Betrieb der Na+/K+-ATPase. Die Elektrophysiologen haben ein wunderbares Objekt entdeckt, an dem man bequem experimentieren kann, das Riesenneuron des Kalmars Loligo, das den Mantelmuskel zur Kontraktion bringt, wenn der Tintenfisch sich mit seinem Raketenantrieb davonmacht (Abb. 14.7). Man kann das bis zu 1 mm dicke Axon (Axon = Fernleitungsfaser einer Nervenzelle = Neuron) wie eine Leberwurst ausquetschen und kçnstlich mit Elektrolytlæsungen fçllen. Auch wenn man gepufferte Kaliumlæsung einfçllt und alle ortsansåssigen negativen Ladungen absåttigt, stellt sich unverzçglich eine Spannung ein. Die Hæhe dieser Spannung entspricht recht genau dem Wert, den die NernstGleichung (Box K 14.2) vorhersagt.

Welche elektrischen Voraussetzungen mçssen also erfçllt sein, damit ein Potential entsteht? l

Die hinausgeschafften positiv geladenen Natrium-Ionen dçrfen nicht von negativ geladenen Ionen begleitet oder gefolgt werden. ChloridIonen wåren beweglich genug, dass sie den Natrium-Ionen folgen kænnten. Die Konzentration der Chlorid-Ionen innerhalb der Zelle ist aber weit geringer als auûerhalb (Abb. 14.7), sodass ihr Diffusionsbestreben nicht nach auûen, sondern nach innen gerichtet ist.

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14 Bioelektrische Signale Abb. 14.5 a. Voltage-clamp-Technik zum Konstanthalten eines Zellmembranpotentials. Eine intrazellulåre Ableitelektrode misst den momentanen Istwert des Membranpotentials. Falls gewçnscht, kann der Experimentator einen bestimmten Sollwert vorgeben. Der Istwert wird auf den Sollwert gebracht, indem dem natçrlichen, durch offene Ionenkanåle flieûenden Einwårtsstrom I soviel Strom mit entgegengesetzter Polaritåt ±I entgegengeschickt wird, dass sich beide Stræme wechselseitig kompensieren. Es gilt [±I] = [I]. Øndert sich der Widerstand der Zellmembran, weil Ionenkanåle sich æffnen oder schlieûen, dann spiegelt der zur Konstanthaltung des Membranpotentials benætigte Gegenstrom in jedem Moment quantitativ den natçrlichen Strom wider, der durch die Kanåle flieût. Die Stårke des natçrlichen Stroms und die des Gegenstroms sind in jedem Moment gleich Abb. 14.5 b. Current-clamp-Technik. Im Gegensatz zu Abb. 14.5 b wird hier der Stromfluss konstant auf 0 gehalten. Die fçr den kompensierenden Gegenstrom in jedem Moment benætigte Spannung spiegelt einen wechselnden Membranwiderstand und damit ebenfalls den Úffnungszustand von Ionenkanålen wider. In der ruhenden Zelle flieût kein Strom: die Stromklemme misst das Ruhepotential

14.1 Wie eine elektrische Membranspannung entsteht l

Anstelle der hinausgeworfenen Na+ dçrfen nicht andere Kationen ins Zellinnere eintreten. Die Natrium-Ionen treibt es zurçck. Die fçr sie gangbaren Kanåle sind aber verschlossen. Auch das Eindringen anderer Kationen, wie z. B. von Ca2+-Ionen, ist unterbunden, weil in der ruhenden Zelle keine Kanåle fçr sie offen sind. Fçr die Protonen H+ besteht in den hier betrachteten Zelltypen kein Konzentrationsgradient (innen wie auûen pH 7,2).

l

Die Kalium-Kanåle indes sind offen. Die Membran ist selektiv permeabel. Und darin liegt ein erster Trick.

l

Der zweite Trick besteht darin, dass die negativen Ladungen im Zellinneren festgehalten sind. Die negativen Ladungen werden nåmlich groûenteils von Proteinen, besonders von phosphorylierten Proteinen, und von organischen Såuren getragen, Substanzen, welche die Zellmembran nicht passieren kænnen.

Nun kann's losgehen. 14.1.4 Im Donnan-Gleichgewicht halten sich der Diffusionsdruck der Kalium-Ionen und eine entgegengerichtete elektrostatische Gegenkraft die Waage; diese Gegenkraft ist ¹das Potentialª, die messbare elektrische Spannung Wir gehen von der Vorstellung aus, dass sich anfånglich im Zellinneren positive und negative Ladungen die Waage halten. Die K+-Ionen sind mit Cl± und organischen Anionen liiert. Besonders viele K+-Ionen halten sich im Bereich der Phosphatgruppen phosphorylierter Proteine auf. Um zu verstehen, wie das Membranpotential zustande kommt, mçssen wir sehen, wohin Ionen gemåû ihrer Konzentrationsdifferenz stræmen wollen, und ob sie ihrem Willen folgen kænnen. Wir schreiben ihnen einen Diffusionsdruck zu, dessen Hæhe eine Funktion des Konzentrationsgefålles ist, die fçr dieses Ion zwischen Zellinnerem und Zellåuûerem zu messen ist. Statt des Ausdrucks Diffusionsdruck ist auch der Ausdruck ¹chemisches Potentialª im Gebrauch, doch ist die

Bedeutung dieses Ausdrucks umfassender und mit der Gibbs'schen freien Energie DG gleichzusetzen (s. Kap. 1). Den Diffusionsdruck kann man quantitativ als DG wiedergeben, doch kommt nicht nur der Diffusion, sondern jeder chemischen Reaktion ein DG zu; es erfasst das Potential an arbeitsfåhiger Energie (s. Kap. 1). In vielen Bçchern spricht man missverståndlich von ¹osmotischer Energieª oder ¹osmotischer Kraftª, obwohl wir es nicht mit der Diffusion von Wasser zu tun haben. Statt Diffusionsdruck wåre auch Diffusionspotential ein angemessener Ausdruck, doch wåre dann nicht eindeutig, was das bloûe Wort ¹Potentialª meint ± Diffusionspotential oder elektrisches Potential. Wie wir jedoch statt von einem elektrischen Potential korrekterweise von einer Potentialdifferenz sprechen mçssten, sollten wir nun auch von Diffusionsdruckdifferenz sprechen. Der Leser wird vermutlich den verkçrzten Ausdruck Diffusionsdruck gern akzeptieren.

Im Zellinneren ist die Kaliumkonzentration ca. 20- bis 40 fach hæher als in den Flçssigkeiten, die Zellen çblicherweise umspçlen, ob es sich um die natçrliche interstitielle Flçssigkeit handelt oder um Blutplasma oder um ein kçnstliches Zellkulturmedium. Auch wenn eine Menge dieser K+ sich in der Nåhe negativ geladener Molekçlgruppen aufhålt, so ist ihre Liaison doch sehr locker. Sie bleiben in ihrer groûen Mehrheit recht beweglich und der Diffusionsdruck ist nach auûen gerichtet. Die Kalium-Ionen kænnen tatsåchlich auch nach auûen dringen, weil Zellmembranen mit stets offenen K+-Leckkanålen (leak channels) ausgestattet sind. Die Zelle wçrde schnell das meiste Kalium verlieren, wçrde sich nicht bald eine elektrostatische Gegenkraft aufbauen, die dem weiteren Ausstrom Einhalt gebietet. Nun kommen unsere organischen Anionen zum Zug. Sie kænnen nicht nach drauûen folgen; denn sie sind viel zu groû, um durch die Kanåle schlçpfen zu kænnen, und in ihrer Mehrzahl sind sie strukturgebunden. Fçhlen sich diese Anionen vereinsamt, versuchen sie ihre Partner zurçckzuhalten. Es spannt sich zwischen positiver und negativer Ladung die Feder des elektrischen Feldes. Es kommt schlieûlich zu einem Gleichgewichtszustand, bei dem Diffusionsdruck und

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14 Bioelektrische Signale

elektrostatische Gegenkraft sich die Waage halten. Es ist ein Gibbs-Donnan-Gleichgewicht (s. Box K 14.2, Abb. 14.9 u. 14.10) erreicht. Die elektrostatische Gegenkraft ist das messbare Membranpotential. Die Physiologie konzentriert sich auf dieses Potential, eben weil es gut messbar ist. Man sollte aber im Bedarfsfall im Hinterkopf das Wissen bereit haben, dass wir es stets auch mit Diffusionsdrçcken, die den Potentialen entgegengerichtet sind, zu tun haben. Eine gebråuchliche alternative Formulierung fçr den Gleichgewichtszustand ist: Wenn sich ¹chemisches Potentialª und das entgegengesetzt wirkende ¹elektrische Potentialª die Waage halten, ist das ¹elektrochemische Potentialª gleich Null. Die relative Anzahl der Kalium-Ionen, die durch die Membranporen entkommen, ist sehr gering: etwa 1±2 von 1 Million. Und viele der Entkommenen bleiben auûen an der Membran haften, sodass man mit empfindlichen Sonden auf der Zelloberflåche eine positive Ladung abgreifen kann. Das Zellinnere ist auch keineswegs çberreich mit groûen organischen Anionen gefçllt (wie Abb. 14.9 und 14.13 vielleicht glauben machen kænnten). Schon ein relativ geringer Ladungsçberschuss gibt ein Potential in der Græûenordnung von mV her. Eine Schåtzkalkulation: Ein einzelner K+-Kanal kann pro s etwa 1 Million K+ passieren lassen. Die Membran einer erregbaren Zelle dçrfte mit etwa 1000 Kanålen bestçckt sein; folglich kænnten rechnerisch 1 Milliarde K+/s die Zellen verlassen, wåhrend die Na+/K+-ATPase zur selben Zeit 200 000 K+ in die Zelle pumpt. Warum die Zelle trotzdem nur so wenig K+ verliert, dafçr sorgt die entstehende elektrische Spannung.

Dass Konzentrationsdifferenzen von Ionen çber Membranen elektrische Spannungen hervorrufen kænnen, hat auch der Physikochemiker Walther Nernst (Nobelpreis 1920) schon gewusst. Er stellte eine Formel vor, die es erlaubt, das Gleichgewichtspotential (equilibrium potential) zu berechnen, wenn man die Konzentrationen der permeablen Ionen beidseitig der Membran kennt. Fçr die Praxis ist wichtig, dass man mit Kenntnis der Nernst-Gleichung leicht herausfinden kann, welche Ionen zum Membranpotential beitragen und

wie man in einfacher Weise das Potential gezielt und dosiert veråndern kann. Wenn nur Kalium im Spiel ist, sollte bei einer Konzentrationsdifferenz von 1 : 20 bis 1 : 40 das Potential ±75 mV bis ±86 mV sein. Gemessen wird im typischen Fall ±70 bis ±90 mV. Tatsåchlich wird also das Ruhepotential im Wesentlichen von Kalium getragen. Wenn man nun die Kaliumkonzentration im Auûenmedium auf das zehnfache erhæht, sollte gemåû der Nernst-Gleichung das Potential um 58 mV sinken. Das tut es auch. Umgekehrt, erniedrigt man die Kalium-Auûenkonzentration, erhæht sich die Membranspannung, wie es die Formel vorhersagt (Abb. 14.9 b). l

Eine Verringerung der Membranspannung zu weniger negativen Werten bis hin zu Null Volt heiût in der Fachsprache Depolarisation.

l

Eine Erhæhung der Membranspannung zu negativeren Werten heiût Hyperpolarisation.

Erhæht oder erniedrigt man hingegen die Natrium-Konzentration, åndert sich das Potential nicht. Im Ruhezustand trågt Natrium so gut wie nichts zum Membranpotential bei; die Leitfåhigkeit der Membran fçr Natrium ist nahe Null. Will man den Beitrag aller beteiligten beweglichen Ionen zum Potential berechnen, muss man auf die erweiterte Form der Nernst-Gleichung, auf die Goldman-Formel (Goldman-Hodgkin-Katz-Formel) zurçckgreifen (Box K 14.2). Die wesentliche Erweiterung gegençber der Nernst-Gleichung ist die Einfçhrung von ionenspezifischen Permeabilitåtskoeffizienten. Merkwçrdig und wichtig ist nun, dass sich bei Depolarisation die Leitfåhigkeit der Membran fçr verschiedene Ionen, namentlich fçr Natrium-Ionen, plætzlich åndert. Das ist beispielsweise beim Aktionspotential der Fall.

14.1 Wie eine elektrische Membranspannung entsteht

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BOX K 14.2

Gibbs-Donnan-Gleichgewicht und Nernst-Gleichung l

Gibbs-Donnan-Gleichgewicht. Fçr die passive, nicht von Pumpen getriebene Bewegung von Ionen zwischen Zellinnerem und Zellåuûerem sind maûgebend: a) die Konzentrationsdifferenzen, auch Konzentrationsgradienten genannt, und b) die durch selektive Poren bedingte Permeabilitåt der Membran, die fçr jede Ionenspezies verschieden sein kann. Konzentrationsdifferenzen erzeugen Diffusionsdruck (in anderer Ausdrucksweise ein chemisches Potential). Gemåû ihrem individuellen Diffusionsdruck dringt jede Ionenspezies durch die ihr auf den Leib geschnittene Pore, und dieser Fluss sollte, so wird man aufgrund der Diffusionsgesetze erwarten, solange andauern, bis beidseitig der Membran gleiche Teilchendichte erreicht ist. Bei Ionen kommt nun aber zusåtzlich ihre elektrische Ladung ins Spiel. Eine Trennung gegennamiger Ladung erzeugt nach unserem Modell (Abb. 14.2) eine elektrische Spannung. Dies ist eine Kraft, die zunehmend græûer wird, je mehr Kationen von Anionen durch die Membran geschieden und nun ohne Partner sind. Die zunehmende elektrische Spannung steht dem Diffusionsdruck entgegen. Schlieûlich halten sich beide Kråfte die Waage; es herrscht ein (Gibbs-)Donnan-Gleichgewicht (Abb. 14.8 und 14.9). In der alternativen Ausdrucksweise ist das elektrochemische Potential jetzt Null. Welche Konzentrationsverhåltnisse im Gleichgewicht herrschen und welches elektrische Potential messbar wird, ist von Fall zu Fall verschieden: l

Im Beispiel (Abb. 14.8) kommt der Ionenfluss makroskopisch zum Stillstand, noch bevor Konzentrationsausgleich fçr die einzelnen Ionensorten erreicht ist, sobald die Gesamt-Ladungsmengen li und re (annåhernd) gleich sind und daher makroskopisch zwischen beiden Kammern im mV-Bereich kein elektrisches Potential zu messen ist (nur im mikros-

kopischen Bereich direkt çber die Poren wåre eine Spannung zu messen). Nicht immer kommt die Bewegung der Ionen zum Stillstand bei einer Gesamtspannung von 0 Volt. Nehmen wir beispielsweise an, ein mit KCl-Læsung gefçllter Raum sei gegen einen mit purem Wasser gefçllten Nachbarraum mit einer Membran abgegrenzt, die den K+-Ionen, nicht aber den Cl±-Ionen den Durchtritt gestattet (Abb. 14.9 a). K+ drångt, getrieben von seinem Diffusionsdruck, vom li Raum hinçber in den noch leeren re Nachbarraum; die Cl±-Ionen wçrden das auch gerne tun, kænnen aber nicht, weil es fçr sie keine offenen Poren gibt; sie mçssen zurçckbleiben. Nun kommt die elektrostatische Anziehungskraft zur Geltung. Je mehr K+ in den re Nachbarraum gewechselt sind, desto mehr einsame, nicht durch Anionen kompensierte positive Ladung sammelt sich dort an, desto mehr vereinsamte Cl±-Singles bleiben andererseits li zurçck. Die elektrostatische Gesamtanziehungskraft, messbar als elektrische Spannung in Volt, steigt, bis sie ein weiteres Wegdiffundieren von K+ aus dem li Raum unterbindet. Diffusionsdruck und elektrische Spannung halten sich schlieûlich die Waage bei einer stabil bleibenden makroskopischen elektrischen Potentialdifferenz. Bemerkenswert bei diesem einfachen Beispiel ist auch, dass die getrennten K+ und Cl± dank der Anziehungskraft çberwiegend auf der Oberflåche der Membran festgehalten werden und nur wenige Ionen in den freien Raum abdiffundieren.

Bei welchen Konzentrationsverhåltnissen der Austausch von Teilchen zwischen li und re zum Stillstand kommt, kann mittels der GibbsDonnan-Gleichung errechnet werden. Ob im Gleichgewicht ein zwischen beiden Råumen stabil bleibendes Ungleichgewicht der elektrischen Ladungen und damit ein elektrisches Potential zu erwarten ist, errechnet sich hingegen aus der Nernst-Gleichung.

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14 Bioelektrische Signale

BOX 14.2 (Fortsetzung)

Die Nernst-Gleichung Gegeben sei eine semipermeable Membran, die Kalium-Ionen passieren låsst, nicht aber die zugehærigen Anionen des Elektrolyten. Auf der einen Seite der Membran (¹Auûenseiteª) herrsche die Konzentration 10 mM, auf der anderen Seite (¹Innenseiteª) die Konzentration 100 mM. Nach W. Nernst ergibt sich daraus (die folgenden Bezeichnungen sind synonym): eine elektrische Spannung U oder DE = eine Nernst'sche Spannung EKalium = eine elektromotorische Kraft EMKKalium = ein Kalium-Gleichgewichtspotential = ein Kalium-Nullstrompotential von: Uˆ

R  T ‰K‡ Šauen ln z  F ‰K‡ Šinnen

in Volt

mit R = Gaskonstante (8,314 J mol±1 K±1) T = Temperatur in Kelvin (20 8C = 293 K) z = Ladungszahl des Ions, hier = +1 F = Faradayzahl (96 500 J mol±1 V±1) Setzen wir numerische Werte ein, so ergibt sich fçr 20 8C: Uˆ

8;3  293 10 mM  ln 1  96500 100 mM

U = 0,025 V ´ ln 1/10 oder 0,058 V ´ log 1/10 U = 0,058 V ´ (log 1 ± log 10) = 0,058 V ´ (0±1) U = ±0,058 V = ±58 mV. In einer aktuellen Zelle, beispielsweise im Riesenneuron, das den Mantelmuskel des fliehenden Tintenfisches Loligo (s. Abb. 14.7) zur raschen Kontraktion veranlasst, findet man Konzentrationsverhåltnisse nicht von 1 : 10, sondern von 1 : 20 (z. B. 20 mM : 410 mM). Oft misst man auch 1 : 30 oder gar 1 : 40. Daraus kalkuliert sich nach Nernst ein Potential von ±75 bis ±86 mV. Und dies entspricht recht gut der tatsåchlich zu messenden Ruhespannung (80 bis 90 mV, je nach Individuum).

Das Diagramm in Abb. 14.9 b zeigt, wie sich das Potential veråndern sollte, wenn durch Variation des Kaliumgehalts im Auûenmedium die Konzentrationsverhåltnisse verschoben werden. Ist die Auûenkonzentration gleich der Innenkonzentration, so ergibt sich ± nicht eben çberraschend ± das Potential Null. Umgekehrt kann man indirekt die Kalium-Innenkonzentration dadurch bestimmen, dass man die Auûenkonzentration so lange erhæht, bis das Potential auf Null gesunken ist. Diese Beziehungen haben praktische Konsequenzen. Bei Kaliumçberangebot im Blut kommt es in den Nervenfasern zu einer Erniedrigung der Membran-Ruhespannung. Das kann zur Folge haben, dass plætzlich Aktionspotentiale losbrechen (s. Kap. 14.3) und Muskeln in Kråmpfe verfallen. Øndert sich die Membranspannung nicht oder nur gering, wenn die Konzentration eines Ions im Auûenmedium variiert wird, so trågt dieses Ion auch nichts oder nur wenig zum Ruhepotential bei. Dies ist in der ruhenden Zelle bei Natrium der Fall. Der Beitrag einzelner Ionen zum Gesamtpotential wird errechnet nach der Goldman-Hodgkin-Katz-Formel PK ‰K‡ Ša ‡ PNa ‰Na‡ Ša ‡PCl ‰Cl Ši ; U = RT/F ´ ln PK ‰K‡ Ši ‡PNa ‰Na‡ Ši ‡PCl ‰Cl Ša P = Permeabilitåtskoeffizient. Wenn also mehrere Ionen im Spiel sind, muss berçcksichtigt werden, in welchem Ausmaû die Membran fçr die einzelnen Ionen durchlåssig ist; denn die ionenspezifischen Permeabilitåten einer Zellmembran sind sehr unterschiedlich. Beachte, dass Anionen gegençber den Kationen wegen ihrer gegennamigen Ladung in der reziproken Position erscheinen. So kompliziert die Verhåltnisse in der Zelle sind ± die Physikkenntnisse des Profi-Elektrophysiologen sind ganz schæn herausgefordert ± so erstaunlich ist, dass mit so schlichten Gleichungen auch heute noch viel gearbeitet werden kann, weil die Ergebnisse meistens stimmen.

14.2 Ionenkanåle zur Verånderung einer Membranspannung

Abb. 14.6. Patch-clamp-Technik zur Registrierung des Úffnungszustandes einzelner Ionenkanåle. Durch Ansaugen eines Stçcks (patch) der Zellmembran wird ein Kanal an die Mçndung einer Mikropipette ¹festgeklemmtª (clamp). Durch

14.2 Ionenkanåle zur Verånderung einer Membranspannung 14.2.1 Information kann nur in einer sich åndernden Membranspannung codiert werden. Dazu wird die Leitfåhigkeit der Membran veråndert Mit einem gleichfærmigen, ununterbrochenen Ton kann ich keine interessante Musik machen. Im

Anlegen einer (durch Rçckkoppelung nachgesteuerten) Prçfspannung wird versuchsweise Strom durch die Saugelektrode hindurchgeschickt. Man registriert, ob, wieviel und wielange der Kanal Strom durchlåsst

Sinnes- und Nervensystem wird Information dadurch codiert, dass Membranspannungen amplituden- oder frequenzmoduliert werden ± wie es auch der Rundfunk macht. Das wird noch erlåutert werden. Jetzt geht es darum, wie grundsåtzlich Membranspannungen veråndert werden. Denkbar wåre eine Modulation çber Ionenpumpen. Solche sind hie und da wohl auch beteiligt. Rascher geht's, wenn Ionenkanåle plætzlich geæffnet oder geschlossen werden. Zur Codierung und Weiterleitung von Information æffnet die Zelle

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14 Bioelektrische Signale Abb. 14.7. Riesenaxon des Tintenfisches und sein Ionengehalt. Die Riesenaxone sind die Signal-Fernleitungsfasern der Rieseneurone, welche die Bewegung der Mantelmuskulatur steuern

im Regelfall schlagartig Ionenkanåle. Dies fçhrt zu einer plætzlichen Erhæhung der Leitfåhigkeit der Membran. Das Úffnen und Schlieûen einzelner Kanåle wird mit der Patch clamp-Technik in Verbindung mit der Voltage clamp-Technik (s. Box K 14.1, Abb. 14.5 u. 14.6) untersucht. 14.2.2 Leckkanåle und Spannungs-gesteuerte Kanåle dienen vor allem der Weiterleitung elektrischer Impulse, Liganden-gesteuerte und Secondmessenger-gesteuerte Kanåle dem Auffangen einer Botschaft in Empfångerzellen Eine groûe Zahl (ca. 300) unterschiedlicher Proteine kænnen Ionenkanåle bilden. Allen gemeinsam ist nur, dass sie aus vielen Transmembrandomånen bestehen, welche die Zellmembran durchspannen und in ihrer Mitte eine Pore freilassen (Abb. 14.11 u. 14.12). Durch diese Poren finden die Ionen einen Weg durch die ansonsten undurchlåssige Membran. Patch-clamp-Messungen (Abb. 14.6) in Verbindung mit pharmakologischen Untersuchungen haben es ermæglicht, eine Vielzahl verschiedener Ionen-Kanåle zu identifizieren. Neuerdings macht man sich den Methodenreichtum der Molekularbiologie zunutze und konstruiert Kanåle, deren

Einzelkomponenten (Untereinheiten der Kanalproteine) man gezielt neu kombiniert oder mutiert. Man kann unreife Eizellen (Oocyten) der Krallenkræte (Xenopus), die von Natur aus solche Kanåle gar nicht besitzen, mit Kanålen aller Art ausstatten und die dabei entstehenden Kanåle in der Eizellmembran untersuchen. Je nachdem, wie sich Kanåle æffnen lassen, werden sie in mehrere Klassen eingeteilt (Abb. 14.11 u. 14.12): 1. Leak channels (Leckkanåle ± es werden hier zwar deutsche Ûbersetzungen der Fachausdrçcke angeboten, doch werden sie in der Hochschullandschaft kaum benutzt). Leak channels sind stets geæffnet. Der wichtigste ist der K+-leak channel (oder K+ resting channel), den wir zur Erzeugung des Membran-Ruhepotentials eingesetzt haben. K+-Kanåle werden durch Tetraethylammonium-Ionen verstopft. Ein molekulares Modell eines solchen Kanals ist anhand der Daten von Ræntgenbeugungsstudien von R. McKinnon (Nobelpreis 2003) konstruiert worden. Der K+-Kanal hat, so wird aus physikalischen Messungen geschlossen, einen Selektivitåtsfilter, der das K+-Ion seiner Wasserhçlle entkleidet. Statt der Sauerstoffatome der Wassermolekçle nehmen 4 Sauerstoffatome, die von sauren Aminosåuren gestellt werden und

14.2 Ionenkanåle zur Verånderung einer Membranspannung

Abb. 14.9 a, b. Nernst'sches Potential in Abhångigkeit vom Verhåltnis der Kalium-Auûenkonzentration zur Kalium-Innenkonzentration. a Einstellung der Ionenverteilung bei einer KCl-Læsung und einer Membran mit Poren fçr Kalium, nicht aber fçr Chlorid; b Diagramm zur Vorhersage des Potentialwertes bei Verschiebung des Verhåltnisses zwischen extrazellulårer und intrazellulårer Kaliumkonzentration

Abb. 14.8. Gibbs-Donnan-Gleichgewicht. Beispiel einer finalen stabilen Ungleichverteilung ohne Potentialdifferenz zwischen linker und rechter Kammer

in die Pore hineinragen, Kontakt zum Ion auf (Abb. 14.13). Diese kænnen allerdings das leicht bewegliche Ion nicht festhalten. Es kann, getrieben von ungerichteten thermischen Impulsen, im Prinzip in beide Richtungen den Kanal wieder verlassen, doch drången sich auf der Innenseite der Zelle viel mehr K+ am Eingang zur Pore als auf der Auûenseite. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein K+ in die Zelle eindringt, ist an der Innenseite græûer als die

Wahrscheinlichkeit, dass ein K+ aus der Pore herausfindet. An der Úffnung zur Auûenseite sind die Verhåltnisse umgekehrt. Obwohl wir intuitiv solchen nur von der statistischen Wahrscheinlichkeit gerichteten Bewegungen keine hohe Leistung zumuten mæchten, verlære eine Zelle doch, wie oben kalkuliert, 1 Milliarde K+/s, wçrde das elektrische Potential den Ausstrom nicht stoppen. 2. Voltage-gated channels (Spannungs-gesteuerte oder Potential-gesteuerte Kanåle). Na+-Kanåle entlang von Nerven- und Muskelfasern und Ca2+-Kanåle in den Endigungen der Nervenzellaxone sind besonders wichtige Kanåle die-

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14 Bioelektrische Signale Abb. 14.10. Modell der Ionenverteilung beidseitig der Zellmembran einer Nerven-, Sinnes- oder Muskelzelle, wenn Diffusionsdruck der intrazellulåren Kaliumionen und elektrostatische Anziehung der durch die Membran getrennten K+- und ProteinAnionen sich die Waage halten. Das elektrische Kraftfeld der gegenseitigen Anziehung wird als Membranruhepotential gemessen

ses Typs. Es gibt indessen auch Potential-gesteuerte K+- und Cl±- Kanåle. Solche Kanåle æffnen sich, wenn in ihrer nåchsten Umgebung die Membranspannung um einen kritischen Betrag abfållt. Die Úffnung solcher Kanåle ermæglicht ihrerseits eine rasche Ønderung der Membranspannung: sie kann schlagartig depolarisieren (Na+-Kanåle) oder wieder repolarisieren (K+- Kanåle). Im Spannungs-gesteuerten Natrium-Kanal umstellen vier miteinander verbundene Untereinheiten die zentrale Pore. Jede der vier Untereinheiten enthålt ihrerseits sechs Transmembran-Domånen (Abb. 14.12 u. 14.16). Die zentrale Pore enthålt einen Ionenfilter und zwei Schleusentore bzw. Verschlussmechanismen. Ein erstes Schleusentor (gate) in der Mitte des Kanals ist im Ruhezustand nicht passierbar. Das Tor wird durch den Spannungssensor geæffnet. Der Sensor besteht aus den S4-Domånen (gating helices) der vier Untereinheiten. Die vier gating helices sind dank basischer Aminosåuren wie Arginin und Lysin positiv geladen. Erfåhrt die Membran eine Depolarisation, veråndern die S4-Domånen ihre Position. Ihre sterische Konformationsånderung çbertrågt sich auf benachbarte Molekçlregionen, und das erste Tor macht den Weg fçr die Na+-Ionen frei. Der zweite Verschlussmecha-

nismus schlieût den Kanal sofort wieder, sobald ein Schwung Na+-Ionen den Kanal passiert hat. Beliebt ist eine Darstellung, die den Verschluss als Kugel zeigt, die wie ein Propf in die Pore eingefçgt wird (ball-and-chain-Modell, Abb. 14.14). Der Verschluss klappt spontan und automatisch zu, sodass ein Spannungsgesteuerter Kanal jeweils nur fçr den Moment einer Millisekunde offen ist. Danach ist der Kanal ¹inaktiviertª und solange auch nicht wieder ¹aktivierbarª, d. h. zu æffnen, solange die Kugel die Pore verstopft. Der Spannungs-gesteuerte K+-Kanal ist åhnlich konstruiert wie der Na+-Kanal, doch æffnet er sich bei einer Depolarisation gegençber dem Na+-Kanal zeitlich verzægert, auch wenn es dasselbe depolarisierende Ereignis ist und beide Kanåle zur gleichen Zeit erreicht. Die Fachliteratur spricht von einem delayed rectifier (verzægerter Gleichrichter). Der Kanal schlieût sich, wenn das Membranpotential wieder den Ausgangswert erreicht hat. Beide Kanåle zusammen ermæglichen, wie im nåchsten Abschnitt erlåutert, das Feuern frequenz-modulierter Aktionspotentiale. 3. Ligand-gated channels (Liganden-gesteuerte Kanåle). Ihr Úffnungszustand wird çber Signalmolekçle gesteuert, die als Liganden an eine

14.2 Ionenkanåle zur Verånderung einer Membranspannung

Abb. 14.11a±d. Ionenkanåle und ihre Steuerbarkeit

åuûerliche Rezeptorstelle des Kanalproteins binden und ihn zum Úffnen veranlassen. Im typischen Fall findet man solche Kanåle an Synapsen, also an jenen Strukturen, an denen eine Impulse-feuernde Zelle ihre Botschaft einer Nachbarzelle çbergibt. Die Liganden-gesteuerten Kanåle sind an der Kontaktstelle in die

Membran der Empfångerzelle (postsynaptische Membran) eingefçgt. Sie werden dort von Neurotransmittern geæffnet oder geschlossen (Beispiel, der nikotinische Acetylcholin-Rezeptor, s. Kap. 15). Zum Unterschied zu den Spannungs-gesteuerten Kanålen kann ihre Úffnungsdauer variieren, und die Zahl geæffneter Kanåle ist eine Funktion der Transmitter-Dosis. Liganden-gesteuerte Kanåle ermæglichen Amplituden-modulierte Potentiale, die an Synapsen (Kap. 15) und in Sinneszellen (Kap. 16) von Bedeutung sind. Einige Arten von Liganden-gesteuerten Kanålen werden durch intrazellulåre Liganden (Botenstoffe, second messenger) wie Ca2+, cAMP, cGMP oder Inositoltrisphosphat in ihrem Úffnungszustand reguliert (s. Kap. 12). Der Zelle wird zuerst çber ein externes Signal mitgeteilt, dass sie solche second messenger erzeugen soll. Sie fångt das externe Signal an der Zelloberflåche mit Rezeptorproteinen auf, die nicht selbst Kanalcharakter haben, die aber die Produktion oder Freisetzung solcher innerer Botenstoffe in die Wege leiten. G-Protein-gesteuerte Kanåle. Manche Ionenkanåle werden von Membran-residenten Rezeptoren ohne die Vermittlung durch intrazellulåre Botenstoffe gesteuert. Das Signal zum Úffnen oder Schlieûen wird durch ein in der Membran lokalisiertes, bewegliches G-Protein (GTP-bindendes Protein) auf den Kanal çbertragen. Beispiel: die Natrium-Kanåle der muscarinischen, Acetylcholin-gesteuerten Synapse (s. Kap. 15). 4. Mechanisch gesteuerte Ionenkanåle sehen wir uns spåter in der Sinnesphysiologie an.

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14 Bioelektrische Signale Abb. 14.12. Ionenkanåle. Molekulare Struktur

14.3 Fernleitung von Information çber Aktionspotentiale 14.3.1 Die Eigenart der Voltage-gatedNatrium-Kanåle erwirkt eine rasche, spikefærmige Verånderung des Potentials Wir schauen uns zuerst einmal nur an einer Stelle einer Nervenfaser an was passiert, wenn sich Na+-Kanåle æffnen. Die Faser, die wir untersuchen, sei ein Axon, çber das die Nervenzelle Signale zu einem entfernten Empfånger schicken will (s. Abb. 15.2). Die Stelle, die wir betrachten, sei der Axonhçgel am Beginn der Fernleitungsstrecke, wo solche Signale generiert werden. (Da nicht immer ein Hçgel zu sehen ist, heiût diese Zone allgemein auch Spike-generierende Zone.) Der Kanal æffnet sich, wenn in seiner Nachbarschaft das Membranpotential einen kritischen Betrag (20 bis 25%) unter den Ruhewert abfållt. Die Membranspannung am Initialort des Axons sinkt, weil der benachbarte zentrale Kærper der Nerven-

zelle aufgrund einer empfangenen Botschaft sein eigenes Potential absenkt (postsynaptisches Potential, s. Kap. 15). Diese Depolarisation des Zellkærpers kann auch die Initialzone am Axonhçgel erfassen. Ist die Feuerschwelle (firing level, firing threshold) erreicht, æffnet sich der Na+-Kanal in unserem Blickfeld schlagartig und vollståndig. Natrium-Ionen stçrzen ins Zellinnere, getrieben von zwei gleichgerichteten Kråften: von ihrem Diffusionsdruck und von der anziehenden negativen Ladung im Zellinneren. Die NatriumIonen nehmen die verlassenen Plåtze der untreuen K+ ein und gehen eine Liaison mit den vereinsamten negativ geladenen Proteinen ein (Abb. 14.15 u. 14.16). Deren Sehnsucht ist zwar nicht sofort abgesåttigt, aber gemildert, die Membranspannung sinkt weiter. Damit kommt eine Lawine ins Rollen (positive Rçckwirkung): Weil die Membranspannung sinkt, æffnen sich in nåchster Nachbarschaft weitere Na+-Kanåle. Die Spannung sinkt unaufhaltsam und schlagartig auf Null ab. Man sollte meinen, damit wåre Ruhe; denn alle negativen Ladungen sind nun abgesåttigt. Aber es gibt noch çberschçssige Freier. Noch werden

14.3 Fernleitung von Information çber Aktionspotentiale

Abb. 14.13 a, b. Modell der Ionenselektivitåt eines K+-Kanals. a Bei der Passage des Kanals wird die Hydrathçlle des Ions abgestreift und ersetzt durch Sauerstoffatome entlang der Porenwand. Das Ion kann im Kanal weiterrutschen und wird nach seiner Passage wieder von einem Wassermantel eingehçllt. b Das kleinere Na+-Ion passt zwar råumlich in die Pore, findet aber nicht allseitig Kontakt zu den Sauerstoffatomen der Kanalwand. Dies soll das Weiterrutschen des Ions durch die Pore verhindern. Es kann deshalb nicht vollståndig dehydratisiert werden, was das Weiterrutschen durch die Pore verhindert

Na+-Ionen aufgrund ihres Diffusionsdruckes nach innen getrieben. Nun aber wird ihre positive Ladung nicht mehr durch einen negativen Partner kompensiert. Es kommt zu einem Ûberschuss an positiver Ladung. Das Zellinnere wird positiv ± aber nur fçr einen kurzen Moment. Denn nun schlieût sich der Kanal selbsttåtig wieder. Er ¹inaktiviertª sich in der Sprache des Physiologen nach kaum einer Millisekunde Úffnungszeit. Nach dem Verschluss des Na+-Kanals stellen die K+-Io-

Abb. 14.14. Modell des Potential-gesteuerten Na+-Kanals. Funktionell bedeutsame Strukturen sind der Selektivitåtsfilter, der Spannungssensor, das Tor und die Inaktivierungsdomåne, hier als Kugel dargestellt

nen das Ruhepotential sofort wieder her. Sie sind ja in Massen noch im Zellinneren zugegen ± im Mittel nur ein K+ von 10 Millionen war vor dem Aktionspotential durch einen Kanal entschlçpft. In der Repolarisationsphase des Aktionspotentials helfen Voltage-gated-K+-Kanåle, das Ruhepotential rasch wieder herzustellen (Abb. 14.16). Und nun aufgepasst: Wçrden wir das Membranpotential an der Stelle unseres Kanals messen, zeigte sich zuerst eine Depolarisation, d. h. ein

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14 Bioelektrische Signale

Abb. 14.15. Ionenverteilung im Axon einer typischen Nervenzelle. Modell. Die Pfeile symbolisieren den Diffusionsdruck

Abfall der Membranspannung, als eine Auslenkung des Strahls nach oben! ± der Strahl nåhert sich von ±70 mV kommend der Null-Linie. Kurzfristig çberschreitet er die Null-Linie. Wenn der Strahl dann wieder auf ±70 mV heruntersaust, zeigt dies eine Repolarisation an, also einen Wiederaufbau einer Spannung. Aufschlag des Strahls = Zusammenbruch des Potentials (bis zur NullLinie), Abschlag = Aufbau des Potentials. Man sieht einen Spike, der in seiner ersten Phase nach oben gerichtet ist ± aber dabei einen raschen Abfall der Spannung anzeigt! Man spricht, weil das Bild eben so aussieht, salopp und fçr den Anfånger sehr irrefçhrend von der ¹Hæheª eines Potentials. (Noch irrefçhrender ist diese Sprache bei den noch zu besprechenden Amplituden-modulierten Potentialen.) Wir werden in der Hoffnung, dass der Leser von nun ab weiû, was gemeint ist, von der ¹Hæheª, ¹Amplitudenhæheª oder auch ± ohne Anfçhrungszeichen ± schlicht von Hæhe und Amplitude sprechen, weil dies nun mal so der Brauch ist. Wir hatten es bisher mit einem einzigen Aktionspotential = Spikepotential = Impuls zu tun. Dieses Aktionspotential dauerte am betrachteten Ort nach Maûgabe der Zeitskala unseres Oszillographen gerade mal 1 ms. Es lebt aber in Wirk-

lichkeit långer. Es ist uns nur von unserer Messelektrode weggelaufen. Wie dies? 14.3.2 Die Eigenart der Voltage-gated-Natrium-Kanåle erwirkt, dass Aktionspotentiale çber Fasern hinweglaufen Wenn am betrachteten Ort, also z. B. am Axonhçgel, das Aktionspotential seinen Gipfel erreicht, ist in diesem Moment und an dieser Stelle die Innenflåche der Zellmembran positiv und die Auûenflåche der Membran negativ. Wir finden auf der Innenseite einen positiven Ring (± Ring, weil wir es beim Axon mit einem Schlauch zu tun haben ±), beidseitig begrenzt von negativ geladener Nachbarschaft, und auf der Auûenflåche einen negativen Ring, beidseitig flankiert von positiver Nachbarschaft. Das hat Folgen. Ionen stræmen ± Kationen zu Anionen, Anionen zu Kationen ±, bis die Ladungssprçnge ausgeglichen sind. Diese Ausgleichsstræme haben zur Folge, dass das Potential im Umfeld der Ringe (= Spikespitze) geringer wird. Die Umgebung erfåhrt eine partielle Depolarisation.

14.3 Fernleitung von Information çber Aktionspotentiale

Abb. 14.16. Aktionspotential. Dargestellt sind die Ereignisse an einem bestimmten Ort entlang des Axons eines Neurons oder entlang einer Muskelfaser. Die drei Kanaltypen sind links

der Spannungs-gesteuerte Na+-Kanal, in der Mitte der Spannungs-gesteuerte K+-Kanal, rechts der K+-Leckkanal

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14 Bioelektrische Signale

Im Experiment, beispielsweise im Froschmuskel-Versuch, erzwingt man eine Depolarisation, indem man mittels einer technischen Stromquelle negative Ladung in Form von Elektronen auf die Faser flieûen låsst, welche die ortsansåssige positive Ladung kompensiert. Das ist sehr kçnstlich, funktioniert aber.

Was hat die partielle Depolarisation zur Folge? Es springen die benachbarten spannungsgesteuerten Na+-Kanåle auf. Wåhrend die erste Gruppe von Kanålen sich wieder schlieût, æffnet sich die Gruppe benachbarter Kanåle. Der Spikegipfel rçckt entsprechend von der Stelle der ersten Ka-

Abb. 14.17. Wanderung von Aktionspotentialen çber ein Axon. Das untere Bild zeigt gegençber dem oberen Bild einen etwas spåteren Augenblick. Ist der Kanal eng und die rote Inaktivierungskugel auûerhalb der Pore, ist der Kanal aktivierbar und kann durch Depolarisation geæffnet werden. Ist die

nalgruppe an die Stelle der zweiten weiter. Dann folgt die dritte Gruppe und so fort (Abb. 14.17). Messtechnisch ist diese Fortpflanzung oder Weiterleitung des Aktionspotentials dadurch zu verfolgen, dass auf der Oberflåche der Faser eine Negativitåtswelle (Negativitåtsring) Richtung Synapse låuft. Man kann sich die Fortleitung auch als einen Zçndfunken vorstellen, der çber eine Zçndschnur zischt.

rote Kugel in der Pore, ist der Kanal inaktiviert und kann erst 1 ms spåter wieder geæffnet werden. Ein offener Kanal ist stets links von einem inaktivierten, rechts von einem aktivierbaren umgeben, daher kann das Aktionspotential nur von links nach rechts wandern

14.3 Fernleitung von Information çber Aktionspotentiale

Sieht man vom ersten Kanal auf dem Axonhçgel ab, hat jeder weitere offene Kanal einen linken und einen rechten geschlossenen Nachbarn, der von den depolarisierenden Ausgleichsstræmen zum Úffnen stimuliert werden kænnte. Ein Spike in der Mitte der Faser kænnte sich deshalb in zwei aufteilen, wobei der eine korrekt Richtung Synapse, der andere inkorrekt zurçck zum Startplatz liefe. Damit ein solcher Rçckwårtslauf nicht passiert, werden die Kanåle, nachdem sie zugeklappt sind, fçr einige Zeit unerregbar.

Nach ihrem Verschluss verharren die Kanåle fçr eine kurze Zeit im inaktivierten (inactivated) oder refraktåren (refractory) Zustand. In diesem Zustand lassen sie sich durch eine Depolarisierung nicht æffnen. Die kurzfristige Blockade hat einen Gleichrichtereffekt und zwingt den Spike, schnurstracks weiter Richtung Synapse zu marschieren; ein Zurçcklaufen ist nicht mæglich. Der Refraktårzustand hat eine weitere wichtige Funktion: Ein zweiter Spike, der hinter dem ersten herlåuft, kann diesen ersten nie einholen und ihm daher auch nicht in den Rçcken fallen. Spikepotentiale bleiben strikt getrennte Signale. Ein letzter wichtiger Punkt zum Einzelspike. Misst man die Amplitude des Spike, wåhrend er çber die Faser låuft, so registriert man eine stets gleichbleibende Hæhe. Die ± råumlich in die Långe gestreckte ± Batterie der Faser hat çberall die gleiche Energiereserve. Sie wirkt insoweit auch als Verstårker. ¹Reibungsverlusteª fçhren nicht zu einer Minderung der Spikehæhe. Die klassische Elektrophysiologie sagt dies so: Aktionspotentiale folgen dem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Einmal ausgelæst, erreichen sie eine festgelegte Hæhe und pflanzen sich unaufhaltsam und ohne Dekrement aus, d. h. ohne sich abzuschwåchen. 14.3.3 In Fasern, die Aktionspotentiale zur Informationsleitung benutzen, ist die Information in einer Frequenzmodulation codiert Wenn ich ein Aktionspotential çber seine Laufstrecke verfolge, ist seine Amplitude stets gleichbleibend hoch. Auch das nåchste und jedes wei-

tere Aktionspotential hat diese Hæhe. Ebenso sind die Laufgeschwindigkeiten invariant. Bei verschiedenen Fasern registriert man verschiedene Amplituden. Dçnne Fasern feuern in der Regel kleine, dicke Fasern feuern groûe Spikes. Auch die Leitungsgeschwindigkeiten sind unterschiedlich: Ûber dicke Fasern laufen die Spikes schneller als çber dçnne. Bei ein und derselben Faser jedoch sind Amplituden und Laufgeschwindigkeit invariant.

In unverånderlichen Parametern kann ich keine Information codieren. Mit einer monotonen Serie von aaaaa . . . kann ich keine aussagekråftige Botschaft verschlçsseln. Ich kann es aber im Prinzip schon, wenn ich nur die Abstånde zwischen den a-Buchstaben variabel gestalte. Man kann, vom Axonhçgel startend, ein Aktionspotential nach dem anderen auf den Weg schicken. Man muss nur jeweils den zeitlichen Mindestabstand der Refraktårzeit abwarten. Da in einer Standardfaser ein Spike ca. 1 ms dauert und die Refraktårzeit zusåtzlich mindestens 1 ms, kann die Standardzelle bis zu 500 Spikes pro Sekunde çber die Faser schicken. (Die gemessenen Maximalwerte liegen nur sehr selten çber 300 Hz, kænnen aber in rekordverdåchtigen Fasern bis zu 1000 Hz hochschnellen.) Die Zelle muss aber nicht mit maximaler Frequenz feuern; sie kann den zeitlichen Abstand, das Intervall, modulieren und damit den Kehrwert des Intervalls, die Frequenz, ausgedrçckt in Hertz (Hz). Entlang dem Axon der Nervenzelle und entlang der quergestreiften Muskelfaser wird Information durch Intervallmodulation bzw. ± gleichbedeutend ± durch Frequenzmodulation codiert und geleitet. 14.3.4 Nicht çberall gibt es Frequenzmodulation; in nichtaxonalen Zellbereichen findet man Amplitudenmodulation Es sei schon an dieser Stelle betont, dass Frequenzmodulation nicht die einzige Art ist, wie in Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen Information codiert sein kann. Wir werden im Kapitel Synapse und in der Sinnesphysiologie auch der Am-

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14 Bioelektrische Signale

plitudenmodulation begegnen. Sie dient freilich weniger der Fortleitung, sondern mehr der Integration und Verarbeitung von Information.

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Ein wichtiger Hinweis schon jetzt. l Amplitudenmodulierte Potentiale dienen der ersten Codierung und der Integration von Information. Sie sind Analogsignale, die beispielsweise eine Reizstårke widerspiegeln. l Frequenzmodulierte Potentiale dienen der Fernleitung von Information. Da sie dank der Verstårkerwirkung der Faser stets gleiche Hæhe behalten, kænnen selbst meterlange Strecken ohne Signalverlust çberwunden werden. Informationsçbermittlung durch frequenzmodulierte Signale wird gerne mit digitalem Informationstransport verglichen. Allerdings hat eine Folge von diskreten Spikes mit konstanter Amplitude zwar die Stærungsresistenz digitaler Ûbertragungssysteme, doch ist die Information als solche wie in analogen Systemen in einer weitgehend variablen Græûe, dem Spikeintervall, codiert.

rascher weitergeleitet werden kænnen. Denn sehr schnell geht das im Allgemeinen nicht (0,5 bis 5 m/s). Der Trick ist schon erstaunlich. Das Erstaunlichste ist vielleicht das vorbereitende Verhalten von Gliazellen (Schwann'sche Glia) in der Embryonalentwicklung. Sie machen sich platt und wickeln sich in einem eigenartigen Verfahren um die Axone, um die Funktion eines Isolierbandes (Myelinhçlle) zu erfçllen (Abb. 14.18). Im Abstand von 1 mm lassen sie die Faser im Ranvier'schen Schnçrring nackt. Nur dort an diesen nackten Stellen befinden sich noch Ionenkanåle ± und hier gleich in hoher Dichte. Springen diese auf und kommt es an dieser Stelle auf dem Hæhepunkt des Aktionspotentials zur Umpolung, so wird dieser Ring auûen eine negative Ladung exponieren, wåhrend an der Innenseite der Membran ein positiver Ring erscheint. Die Weiterleitung der Depolarisation zum benachbarten Schnçrring ist extrem schnell (Abb. 14.18). Hier am zweiten Ring kommt es zur Auslæsung des nåchsten Aktionspotentials. Die isolierte Zwischenstrecke bleibt stumm. Wir sehen ein Aufflackern von Aktionspotentialen in Sprçngen von Schnçrring zu Schnçrring. Die Leitungsgeschwindigkeit kann hierbei bis zu 140 m/s betragen im

14.3.5 In Fernleitungsstrecken kænnen Isolierhçllen eine beschleunigte ¹saltatorischeª Leitung erzwingen Wie eben vermerkt, dienen frequenzmodulierte Aktionspotentiale der Fernleitung. Allerdings ist diese Art der Fernleitung gegençber der uns von der Elektrotechnik vertrauten Fernleitung mit einem groûen Nachteil behaftet: Sie ist vergleichsweise langsam. Was sind schon 5 m in der Sekunde verglichen mit der Geschwindigkeit einer Telefonleitung oder einer SMS-Botschaft? Wir kehren zum Axon einer Nervenzelle zurçck. Schon das Schulbuch des Gymnasiums weiû von ¹saltatorischer Leitungª zu berichten, obwohl diese Sache keine wesentliche Nervenfunktion betrifft. Es geht um einen Trick, wie in Fernleitungsstrecken vom Zentralnervensystem bis ± beispielsweise ± zum kleinen Zeh Aktionspotentiale

Abb. 14.18. Schwann'sche Scheiden um ein Axon mit Lçcken (= Ranvier'sche Schnçrringe). Nur in den Lçcken befinden sich Ionenkanåle und nur hier kommt es zu einer spikefærmigen Modulation des Membranpotentials

14.3 Fernleitung von Information çber Aktionspotentiale

Vergleich zu 5 m/s fçr gleich dicke, nichtmyelinisierte Fasern. Die schnelle Weiterleitung çber die isolierten Abschnitte des Axons (die Internodien) kommt dadurch zustande, dass die isolierende Myelinschicht ein Entweichen von Stræmen jeder Art durch die Axonmembran verhindert: Ionenflçsse werden durch den erhæhten Membranwiderstand blockiert, und kapazitive Stræme durch eine Verminderung der Membrankapazitåt reduziert. Das Prinzip stæût aber an Grenzen. Sind die Abstånde zwischen den Schnçrringen zu groû, reicht die zum Úffnen benachbarter Kanåle nætige Depolarisation nicht weit genug, und beim nåchsten Ring kann kein Aktionspotential mehr entstehen. Die Internodien sind bis zu etwa 1 mm lang und werden von jeweils einer Gliazelle isoliert.

14.3.6 Gegen Ende der Leitung wird auf Voltage-gatedCalciumkanåle umgeschaltet; denn man braucht Calcium zur Freisetzung von Transmittern Wenn das Lehrbuch der Physiologie im Zusammenhang von Aktionspotentialen von Natriumkanålen spricht, so hat es den Regelfall bei Wirbeltieren im Gesichtsfeld. In den Muskelfasern des Herzens und in den nervalen Axonen vieler Wirbellosen erfçllen Calcium-Ionen diese Funktion, und vielleicht auch im Wirbeltier bei manch kleiner, nicht untersuchten Nervenfaser. Wie auch immer, auch bei groûen nervalen Fasern im Wirbeltier kommen zum Schluss spannungsgesteuerte Calcium-Kanåle zum Zuge. Låuft ein Aktionspotential in den Nahbereich einer Synapse ein, springen Ca2+-Kanåle auf. Sie leiten die synaptische Transmission ein.

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14 Bioelektrische Signale

Zusammenfassung des Kapitels 14 In Sinnes-, Nerven- und Muskelzellen wird Information in Form elektrischer Signale codiert und weitergeleitet. Kapitel 14 erklårt, wie elektrische ¹Potentialeª, d. h. elektrische Spannungen zwischen Zellinnerem und Zellåuûerem, zustande kommen und wie sie moduliert werden kænnen. Wesentlich ist eine Ungleichverteilung von positiv geladenen Kationen und negativ geladenen Anionen beidseitig der Zellmembran. Fçr die Einstellung einer stand-by-Spannung, der Ruhemembranspannung, sind maûgebend die beweglichen K+-Ionen sowie K+-selektive Membranporen einerseits und im Zellinneren gefangene, organische Anionen (u. a. phosphorylierte Proteine, organische Såuren) andererseits. Eine Ionenpumpe, die Na+/K+-ATPase, reichert das Zellinnere mit einem 20±40 fachen Ûberschuss an K+ an und wirft zum Austausch Na+ hinaus. Durch stets offene K+-Leckkanåle streben einige K+-Ionen ihrem Diffusionsdruck folgend jedoch wieder nach drauûen und lassen ungepaarte Anionen zurçck. Durch die so bewirkte Ladungstrennung baut sich eine elektrische Spannung auf, die dem Diffusionsdruck entgegenwirkt. Im Gleichgewicht von Diffusionsdruck und elektrostatischer Gegenkraft (Gibbs-Donnan-Gleichgewicht) wird ein Membranruhepotential (resting potential) gemessen, dessen Hæhe nach der Nernst-Gleichung berechnet werden kann und im Regelfall ca. ±90 mV betrågt. Anreicherung des Auûenmediums mit K+ erniedrigt die Spannung bis zum Umkehrpotential (= Nullpotential), Erniedrigung der K+-Auûenkonzentration fçhrt zur Erhæhung der Spannung (Hyperpolarisation). Eine schlagartige Erniedrigung des Membranpotentials (Depolarisation) ergibt sich,

wenn sich reizbedingt plætzlich spannungsgesteuerte Natrium-Kanåle æffnen, Na+-Ionen dank ihres Diffusionsdruckes nach innen stræmen, die Ladung der Anionen kompensieren und vorçbergehend sogar das Zellinnere mit einem Ûberschuss an positiver Ladung fçllen. Das automatische Zuklappen (Inaktivierung) der Kanåle nach < 1 ms Úffnungszeit ermæglicht ein rasches Wiederherstellen der Ruhespannung. Bei dieser Repolarisierung wirken Spannungs-gesteuerte K+-Kanåle mit, die sich gegençber den Na+-Kanålen verzægert æffnen und mit K+ wieder positive Ladung nach Auûen entlassen. Die insgesamt nur 1 ms wåhrende Spannungsånderung heiût Aktions- oder Spikepotential. Dank der Eigenart der spannungsgesteuerten Kanåle kann sich jedes Aktionspotential entlang einer Nerven- oder Muskelfaser rasch weiterbewegen, gefolgt von einer 1 ms dauernden Phase der Inaktivierbarkeit der Kanåle (Refraktårphase). Serien solcher Aktionspotentiale (Spikes) mit konstanten Amplituden (Alles-oder-Nichts-Prinzip), aber wechselnden Intervallen (Frequenzmodulation), werden zur stærungsresistenten Fernleitung von Information çber weite Strecken benutzt, vergleichbar einem digitalen Informationstransport. Hingegen dienen an Synapsen (Kap. 15) und in Sinneszellen (Kap. 17) analoge, Amplitudenmodulierte lokale Potentiale der primåren Codierung und der Integration von Information. Bei Nervenfasern mit periodisch unterbrochenen Isolierschichten (Schwann-Scheiden mit Ranvier-Schnçrringen) ermæglicht saltatorische Leitung eine Steigerung der Leitungsgeschwindigkeit fçr Spikes von 5 bis 140 m/s. Box K14.1 und K14.2 fçhren in physikalische Grundlagen und Messtechniken der Elektrophysiologie ein.

15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

Es ist viel von ihnen die Rede, und es gibt sie im Gehirn und çberall im Kærper verstreut zu Abermilliarden, doch sie sind winzig, mit Dimensionen unterhalb der Auflæsungsgrenze des Lichtmikroskops: Synapsen, die ¹Erregungsª-çbertragenden Kontaktstrukturen zwischen Sinneszellen und Nervenzellen, zwischen Nervenzellen und Muskelzellen und zwischen Nervenzellen untereinander. Allenfalls motorische Endplatten, die besonders ausgedehnten neuromuskulåren Synapsen zwischen der Befehlsleitung einer motorischen Nervenzelle und einer Muskelfaser, kænnen noch im Lichtmikroskop lokalisiert werden. Synapsen im lebenden Gewebe zu finden und zu untersuchen, verlangt besondere Kniffe. In der Regel wird mit mehrkanaligen Elektroden der Elektrophysiologie die zuleitende Nervenfaser ¹gereiztª und zugleich abgehært, und mit einer zweiten ¹ableitendenª Elektrode die Antwort der angesprochenen Zelle registriert. Aus dem Vergleich des Reizmusters in der Zuleitung und der Antwort der Effektorzelle wird indirekt auf das Verhalten der Synapse geschlossen. Technisches soll hier aber nicht weiter zur Sprache kommen. In diesem Kapitel wollen wir erfahren, wie an der Kontaktstelle zwischen zwei ¹erregbarenª Zellen ¹Erregungª, d. h. ein informationstragendes Signal, von der einen auf die andere Zelle çberspringt. Wir fragen uns auch, warum der tierische Organismus vorzugsweise die so umståndlich und langsam operierende chemische Synapse einsetzt und weit weniger die augenscheinlich so einfach und elegant funktionierende elektrische Synapse. Wir werden mehrere Antworten finden. Vor dem Lesen dieses Kapitels sollte schon Kapitel 14 gelesen sein.

15.1 ¹Gap junctionsª als elektrische Synapsen 15.1.1 Elektrische Synapsen erlauben ein direktes Ûberspringen von Aktionspotentialen von Zelle zu Zelle Elektrische Synapsen mittels gap junctions funktionieren analog einem simplen Steckersystem: Strom kann ungehindert passieren. Gap junctions sind Bçndel von Kanålen in den Membranen zweier benachbarter Zellen, wobei die Kanalstrukturen der einen Zelle exakt auf die Kanalstrukturen der anderen Zelle passen (Abb. 15.1). Diese Kanåle lassen Elektrolyte ungehindert passieren. Sie sind weit genug, dass auch niedermolekulare Signalmolekçle wie cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) und Inositoltriphosphat (IP3) von einer Zelle zur anderen diffundieren kænnen. Diesen Aspekt wollen wir aber nicht nåher verfolgen. Wenn Kationen wie Na+, K+ und Ca2+ und Anionen wie Cl± und IP6± die Kanåle passieren 3 kænnen, dann kann es auch elektrischer Strom; denn der elektrische Strom der Physiologie ist ja nichts anderes als Fluss von Ionen. Die Ausgleichsstræme, die zur Fortpflanzung von Aktionspotentialen Anlass geben (s. Abb. 14.14), lassen sich von gap junctions nicht aufhalten, ebensowenig wie sich ein Zçndfunke vom Knoten zweier miteinander verknoteter Zçndschnçre aufhalten låsst. Gap junctions verbinden die Muskelzellen des Herzens und ermæglichen so deren gleichzeitige (synchrone) Kontraktion. Gap junctions werden auch in Neuronen des Gehirns gefunden. Dort ha-

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15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

kann; doch die groûe Flexibilitåt chemischer Synapsen wird nicht erreicht. Vor allem gibt es wenig Einflussmæglichkeiten çber externe Signale. Fçr eine mit gap junctions an Nachbarzellen gekoppelte Zelle ist es jedoch lebenswichtig, sich unverzçglich durch Verschlieûen dieser Poren abzuschotten, wenn eine Nachbarzelle stirbt; kænnte sie das nicht, wçrde sie mit ihrer Nachbarin zugrunde gehen.

15.2 Chemische Synapsen: Informationsçbertragung mittels Transmitter 15.2.1 Transmitterenthaltende Vesikel warten an der pråsynaptischen Membran, um auf ein Signal hin ihren Transmitter in den synaptischen Spalt zu spritzen

Abb. 15.1. Gap junction. Jede der beiden verbundenen Zellen steuert eine Hålfte der Zell-Zell-Verbindung (Connexon) bei. Jedes der Connexone einer Zelle ist aus mehreren Proteinen, Connexinen, zusammengesetzt

Transmitter werden in der Sinnes- oder Nervenzelle auf Vorrat synthetisiert. Verpackungsvesikel, die vom Golgi-Apparat abgeschnçrt worden sind, werden entlang dem langen Axon mittels KinesinMotoren bis zum Ende des Axons transportiert (Abb. 15.2). Wo entlang dieser Strecke die Vesikel gefçllt werden, ist im Einzelnen unklar; doch gilt gegenwårtig folgende Auffassung: l

ben sie die wichtige Aufgabe, viele Neurone zu synchron feuernden neuronalen Netzen zusammenzuschlieûen. Solche synchron aktiven Nervennetze spielen eine groûe Rolle in vielen Gehirnfunktionen. Chemische Synapsen sind im Gehirn jedoch weit håufiger vertreten als elektrische. l

15.1.2 ¹Gap junctionsª sind regulierbar, aber nur sehr beschrånkt Viel mehr ist an dieser Stelle nicht zu sagen. Zwar gibt es genug Berichte, wonach der Úffnungszustand von ¹gap junctionsª verånderlich sein

Neuropeptide werden, wie es sich fçr Exportpeptide ziemt, am rauen ER (als groûe Propeptidproteine) hergestellt und im Golgi-Apparat in Exocytose-Vesikel gefçllt; es dauert seine Zeit, bis diese Vesikel an der Synapse ankommen. Ein Axon kann einige mm bis m lang werden! Einmal durch Exocytose entlassen, sind die Peptide nicht mehr verfçgbar. Ein Vesikel mit Neuropeptid ist ein Einwegbehåltnis. Niedermolekulare Transmitter wie Acetylcholin werden hingegen vor Ort hergestellt oder, wie die Aminosåuren Glycin und Glutamat, schlicht dem Cytoplasma entnommen. Sie werden in besondere synaptische Vesikel gepumpt und dort gespeichert. Synaptische Vesikel und ihr Inhalt unterliegen einem Recycling. Die per Endocytose in die Zelle zurçckgeholten Ve-

15.2 Chemische Synapsen: Informationsçbertragung mittels Transmitter

Abb. 15.2. Neuron (Nervenzelle). Oben: Funktionelle Gliederung. Mitte und unten: Transport von Transmittervesikeln

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sikel fçhren auch gebrauchte Transmitter oder ihre Metaboliten wieder in die Zelle zurçck. In beiden Fållen werden darçber hinaus çber besondere Transportvesikel Hilfsmittel wie Enzyme, Pumpenaggregate und Andockproteine zum Erledigen von Exocytose und Endocytose zum synaptischen Terminal verfrachtet. Verbrauchtes Material wird zurçckverfrachtet; dabei kænnen auch Neurotrophine (Ûberlebensfaktoren) mitgenommen werden.

Ûber die Rolle der Neurotrophine in der Entwicklung des Nervensystems geben Bçcher der Entwicklungsbiologie Auskunft. Neurotrophine wie der Nerve-growth-factor NGF werden in diesem Buch nicht behandelt, abgesehen von dem Hinweis, dass neuerdings manche Neurotrophine auch als Transmitter gehandelt werden.

Vor der pråsynaptischen Membran werden die transmitterbefçllten Vesikel an Cytoskelettstrukturen verankert und bleiben in Bereitschaftsposition liegen (Abb. 15.2).

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15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

Abb. 15.3. Synapse. Auf der linken Seite Axonende der Sendezelle = Pråsynapse, rechts Kontaktregion der Empfångerzelle = Postsynapse

Den Anfånger kænnte es verwundern, dass die terminale Abschlussmembran des Axons ¹pråsynaptischª heiût. Die Leute, die die Nomenklatur erfunden haben, saûen im Geiste im synaptischen Spalt und sahen vor sich (lat.: prae = vor) die Membran der Senderzelle, die auf Kommando den Transmitter entlåsst, und hinter sich (post = hinter) die Membran der Empfångerzelle, die 0,5 bis 1 ms spåter den herandiffundierenden Transmitter auffångt (statt postsynaptisch heiût es auch oft subsynaptisch).

15.2.2 Aktionspotential ± Calcium-Puls ± Exocytose mit gequantelter Transmitter-Freisetzung, das sind die pråsynaptischen Ereignisse Låuft ein Aktionspotential am Terminal des Axons ein, læst es çber spannungsgesteuerte Calcium-Kanåle den schlagartigen Einstrom von Calcium-Ionen in das Axon aus. Man kann dieses explosive Einstræmen des Calciums mittels einer ¹erhellendenª Methode sichtbar machen. In das Axon wird Aequorin eingefçhrt, ein Protein, das von leuchtfåhigen Hydromedusen des Pazifik (Ae-

15.3 Konkrete Transmitter

quorea victoria) stammt und einen Lichtblitz aussendet, wenn es Ca2+ zu fangen bekommt. Der Calcium-Puls (unter Fachleuten CalciumTransient genannt) sorgt seinerseits dafçr, dass eine bestimmte Anzahl von Vesikeln Kontakt mit der Zellmembran aufnehmen kann. Das ist kein einfaches Unterfangen. Man kennt eine græûere Zahl von Proteinen, die beim Andocken der Vesikel behilflich sind und vielleicht auch eine Kançle bilden, durch die der Transmitter in den synaptischen Spalt gespritzt wird. Proteine, die beim Andocken helfen, sind beispielsweise Synaptotagmin und Syntaxin (Abb. 15.3). Hat ein Vesikel an die pråsynaptische Membran angedockt, bilden Proteine des Vesikels und der pråsynaptischen Membran gemeinsame SNAREKomplexe. Und was besagt nun der Ausdruck ¹gequanteltª? Das Minimum an Transmitter, das freigesetzt werden kann, ist der Inhalt eines Vesikels. Wir kænnen sagen: ein Transmitterquant = Inhalt eines Vesikels. Bei cholinergen Synapsen, an denen Acetylcholin als Transmitter freigesetzt wird, enthålt ein Vesikel immerhin ca. 30 000 Acetylcholinmolekçle. Pro einlaufendem Aktionspotential werden ca. 1000 Vesikel geæffnet. Tausend Transmitterquanten wåren demnach 30 Millionen Molekçle pro angekommenem Aktionspotential!

15.3 Konkrete Transmitter 15.3.1 Transmitter sind ihrer chemischen Natur nach ¹Monoamineª, Aminosåuren, Peptide oder . . . Es ist gar nicht einfach, Transmitter zu identifizieren. Synapsen sind so winzig, dass sie mit dem Lichtmikroskop nur mit besonderen Fårbeverfahren und auch dann nur als winzige Pçnktchen an der Grenze der Erkennbarkeit ausgemacht werden kænnen. Wie soll man da noch die Inhaltsstoffe analysieren? Wir kænnen den Erfindungsreichtum kriminalistisch begabter Forscher hier nicht nachvollziehen, verstehen aber gewiss, warum die Liste der Transmitter (Abb. 15.4) noch långst nicht komplett ist und hinter manchem Transmitter-Kandidaten noch ein Fragezeichen steht. Ein lange umstrittener Kandidat war ATP. Die Vorbehalte dieser Substanz gegençber sind nun aber geschwunden. l

Acetylcholin. Der erste identifizierte Transmitter war der ¹Vagusstoffª Acetylcholin. Er wird beispielsweise an den synaptischen Terminals parasympathischer Axone (Nervus vagus) und an der motorischen Endplatte eingesetzt, einer besonders groûen Synapse (s. Abb. 15.8) zwischen dem zuleitenden motorischen Axon und einer Muskelfaser.

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Aminosåuren, wie Glycin, Glutamat und Aspartat, und die Aminosåurederivate werden bisweilen als biogene Amine zusammengefasst (Tabelle 15.1). Der Ausdruck ist wenig glçcklich, da alle Aminosåuren und zahllose andere Substanzen Amine sind. Alle drei werden an zahlreichen Synapsen des ZNS als Transmitter eingesetzt, Glycin oft an hemmenden.

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Aminosåurederivate sind die Monoamine Noradrenalin und Dopamin. Mit Blick auf die zwei Hydroxylgruppen am Phenylring werden Dopamin, Adrenalin und Noradrenalin auch als Catecholamine bezeichnet.

15.2.3 Transmitter werden sofort wieder vernichtet oder zurçckgepumpt Ein Transmitter wird von einem kurzen Aktionspotential, einem elektrischen Impuls, pulsfærmig freigesetzt. Er soll auch pulsfærmig zur Wirkung kommen. Wenn der nåchste Transmitterpuls aus der pråsynaptischen Membran herausschieût, mçssen alle Rezeptoren wieder frei sein. Transmitter werden durch hochaktive Enzyme vernichtet (z. B. Acetylcholin durch die rasend schnell arbeitende Acetylcholinesterase). Oder sie werden blitzartig in die Senderzelle zurçckgepumpt. Das geht phantastisch schnell. Auch Gliazellen kænnen sich an der Aufråumarbeit beteiligen, sofern sie in nåchster Nåhe sind.

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15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information Abb. 15.4. Transmitter. Auswahl

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Weitere Aminosåurederivate sind Serotonin, auch als 5-Hydroxytryptamin bekannt, und die oftmals an hemmenden Synapsen eingesetzte GABA (c-Aminobuttersåure).

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Peptide. Besonders viele Transmitter lassen sich potentiell als Peptide konstruieren, weil es bei Peptiden enorm viele Mæglichkeiten gibt, wieviele und in welcher Reihenfolge Aminosåuren aneinandergefçgt werden kænnen. Bereits bei den Coelenteraten, der evolutionsgeschichtlich wohl åltesten Tiergruppe, die mit einem Sinnes-Nervensystem ausgestattet ist, wird die Vielfalt mæglicher Aminosåuresequenzen in Peptiden weidlich genutzt, um ein groûes Spektrum von Transmittern und Neurohormonen herzustellen.

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Proteine. Neuerdings ist der brain-derived neurotrophic factor BDNF als Transmitter im Gehirn ins Gespråch gebracht worden.

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ATP Oft zu lesende Ausdrçcke: l Cholinerg sind Synapsen, an denen Acetylcholin als

Transmitter fungiert. l Adrenerg sind Synapsen, an denen Adrenalin oder

Noradrenalin die Botschaft vermittelt. l Aminerge Synapsen setzen Noradrenalin oder Dopa-

min oder Serotonin als Transmitter frei. l Peptiderge Synapsen verwenden Peptide als Transmit-

ter. l Entsprechend werden Synapsen auch als GABA-erg, se-

rotonerg oder XY-erg angesprochen.

15.4 Auffangen des Transmitters an der postsynaptischen Membran und Reaktion der Empfångerzelle

15.3.2 Transmitter werden ergånzt durch Neuromodulatoren Nicht immer læst eine Signalsubstanz, die an der Synapse abgesandt wird, fçr sich schon in der signalempfangenden Zelle eine elektrisch registrierbare Reaktion aus. Sie beeinflusst aber nachhaltig die Effektivitåt eines Transmitters. Solche Neuromodulatoren sind oft Peptide; es kommen allerdings auch beliebige andere Substanzen als Modulatoren in Betracht bis hin zu dem skurrilen, gasfærmigen Stickstoffmonoxid NO.

15.4 Auffangen des Transmitters an der postsynaptischen Membran und Reaktion der Empfångerzelle 15.4.1 Transmitter wirken in der postsynaptischen Membran çber ligandengesteuerte Ionenkanåle oder çber Signaltransduktionssysteme Die neurobiologische Fachliteratur spricht von ionotropen und von metabotropen Ligandenwirkungen. Was hat es damit auf sich? Beispiel Acetylcholin (ACH). Der Transmitter wird an den Terminals motorischer Axone freigesetzt, um Muskelfasern zur Kontraktion zu veranlassen. Das geschieht jedoch bei den quergestreiften Fasern der Skelettmuskel und den glatten Muskelfasern der Hohlorgane in unterschiedlicher Weise. l

Ionotrope Wirkung. Die aus den ventralen Spinalwurzeln aus dem Rçckenmark herauskommenden motorischen Axone enden an den motorischen Endplatten, die den quergestreiften Muskelfasern aufsitzen. Hier kommt der nikotinische Acetylcholin-Rezeptor zum Zuge: es ist ein ligandengesteuerter Kanal, der zwar nicht besonders ionenselektiv ist, aber viele Na-Ionen in die Zelle låsst, weil besonders viele Na-Ionen vor dem Kanaleingang warten. Der Kanal låsst sich auch durch das Nikotin des Ta-

bakrauchs æffnen. (Bei långerer Einwirkung von Nikotin verliert jedoch das falsche Signal an Wirkung und der Raucher wird nicht von Muskelkråmpfen geplagt.) l

Metabotrope Wirkung. Sie låuft immer çber die Aktivierung eines G-Proteins. An den Synapsen der glatten Muskelzellen warten muscarinische Acetylcholin-Rezeptoren ACH-R auf den Liganden (in untunlicher Weise wirkt auch das Gift des Fliegenpilzes Musca, das Muscarin, als aktivierender Ligand). Viele muscarinische ACH-Rezeptorsysteme mit unterschiedlichen Isoformen des ACH-R und unterschiedlichen Eigenschaften werden im Gehirn gefunden. Die muscarinischen ACH-Rezeptoren haben selbst keine Kanalstruktur, sondern beeinflussen indirekt çber das PI-PKC-Signaltransduktionssystem oder, mehr direkt, çber wegdriftende G-Proteine (s. Abb. 12.4) den Úffnungszustand von Ionen-Kanålen. Dies hat in der glatten Muskelfaser eine Depolarisation der Zellmembran, Einstrom von Ca2+ in der Faser und schlieûlich Kontraktion der Faser zur Folge.

In der nikotinischen wie der muscarinischen Synapse kommt es unter der postsynaptischen Membran zu einer Depolarisation (EPSP ± s. Kap. 15.4.4), die in der quergestreiften Muskelfaser bereits in einer Millisekunde erreicht ist, in der glatten Muskelfaser hingegen nur langsam in Gang kommt, aber dafçr viel långer anhålt ± 1 s bis zu Minuten. Entsprechend ist das Kontraktionsverhalten dieser Fasern unterschiedlich: Die quergestreifte Muskelfaser kontrahiert sich rasch, aber nicht ausdauernd, die glatte Faser langsam, aber anhaltend. Es gibt eine groûe Zahl weiterer ionotroper und metabotroper Synapsentypen mit unterschiedlicher Konstruktion und Funktion im Detail. Metabotrope Synapsen mit muscarinischen Rezeptoren findet man viel auch im Zentralnervensystem. An diesen Synapsen ist nicht nur die postsynaptische Membran der Empfångerzelle mit ACH-R ausgestattet, sondern auch die pråsynaptische Membran der Senderzelle. Das vom

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15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

Sender als Signal freigesetzte ACH wirkt auf den Sender selbst zurçck. An manchen Synapsen hat rçckwirkendes ACH hemmende Funktion, und der Sender schaltet sich durch negative Rçckkoppelung selbst ab; an anderen Synapsen stimuliert der Sender durch positive Rçckkoppelung sich selbst zu verstårkter Aktivitåt. Im Zentrum der gegenwårtigen Forschung stehen die verschiedenen, durch Glutamat gesteuerten ionotropen Glutamat-AMPA- und mehr noch die metabotropen Glutamat-NMDA-Rezeptor-Kanåle. Sie werden mit allerlei High-tech-Methoden erforscht; denn sie sind von besonderer Bedeutung fçr Lernprozesse und die Bildung von Gedåchtnisengrammen. Entsprechend werden wir auf sie im Kap. 24 ¹Lernen, Gedåchtnis, Erinnerungª eingehen. 15.4.2 Viele Gifte biologischen Ursprungs stæren synaptische Funktionen Wenn sich Pflanzen oder Tiere mittels Gift vor Fraû schçtzen, speichern sie nicht selten Gifte, die synaptische Funktionen stæren. Beispiel ist das eben erwåhnte Gift des Fliegenpilzes. Drogen allerlei Art wåren hier zu nennen. Besonders wirksam sind Gifte von Schlangen und åhnlichem Getier, die mittels Giftspritzen ihre Opfer låhmen. Allein an cholinergen Synapsen greifen viele bekannte Gifte an (Zusammenstellung s. Abb. 15.9). 15.4.3 Die Empfångerzelle wird ¹erregtª, d. h. sie zeigt eine charakteristische Modulation ihres Membranpotentials. Zuerst misst man graduierte, amplitudenmodulierte postsynaptische Potentiale: PSP Die erste, mit unseren elektrischen Messgeråten registrierbare Reaktion der Empfångerzelle auf einen Transmitterpuls ist eine relativ langsame Modulation ihres Membranpotentials. Wir begegnen hier erstmals einer neuen Klasse von Membranpotentialen: den lokalen AM-Potentialen.

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Die Spannungsånderungen sind relativ langanhaltend, dauern jedenfalls långer als bei den spikefærmigen Aktionspotentialen.

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Die Spannungsånderungen folgen nicht dem Alles-oder-Nichts-Prinzip, sondern sind variabel und graduierbar; sie erweisen sich als amplitudenmoduliert.

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Sie laufen nicht wie ein Zçndfunke davon, sondern bleiben lokal. Pråziser gesagt, sie breiten sich nur çber kurze Distanz und mit abnehmender Intensitåt aus. In der Fachsprache breiten sie sich elektrotonisch aus und mit Dekrement. Bei maximaler Ausdehnung erreichen sie die Spikegenerierende Zone der Fernleitungsfaser.

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Bei AM-Potentialen kann im einen Fall die elektrische Spannung der Membran abfallen (Depolarisation), im anderen Fall kann sie zunehmen (Hyperpolarisation). 15.4.4 Excitatorische Transmitter rufen depolarisierte EPSP, inhibitorische Transmitter hyperpolarisierte IPSP hervor

Wir nåhern uns dem ¹tieferen Sinn und Zweckª der chemischen Synapse. Das excitatorische postsynaptische Potential EPSP. Manche Transmitter, wie z. B. Acetylcholin, æffnen Kanåle fçr Kationen, vorzugsweise fçr Na+. Die Membranspannung sinkt ab wie im Aufschlagtakt des Aktionspotentials, nur dass nun in der postsynaptischen Membran nicht alle Kanåle gleichzeitig aufspringen und nicht automatisch und synchron wieder zuschnappen. Alles geht nach und nach, und nicht alle Kanåle reagieren. Daher folgt das EPSP nicht dem Alles-oderNichts-Prinzip. Die Depolarisation kann aber Werte erreichen, die die Empfångerzelle dazu bringt, ihrerseits Aktionspotentiale loszuschicken. Daher excitatorisches PSP (Abb. 15.5). Das inhibitorische postsynaptische Potential IPSP. Manche Transmitter, namentlich Glycin,

15.4 Auffangen des Transmitters an der postsynaptischen Membran und Reaktion der Empfångerzelle

Abb. 15.5. Elektrische Signale im Bereich einer Synapse. EPSP = excitatorisches postsynaptisches Potential. IPSP = inhibitorisches postsynaptisches Potential. Die Bezeichnungen

FM und AM entsprechen den Bezeichnungen am entsprechenden Umschalter des Radioempfångers

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15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

Abb. 15.6. Summation und Bahnung

æffnen Kanåle fçr Anionen, speziell fçr Chlorid Cl±. Anionen tragen negative Ladung ins Zellinnere, wo eh schon Ûberschuss an negativer Ladung herrscht. Die Membranspannung wird negativer. Diese Hyperpolarisation hat in der Regel zur Folge, dass die Empfångerzelle unwillig wird, ihrerseits Aktionspotentiale auszusenden; sie wird gehemmt. Ist sie zuvor feuernd tåtig gewesen, wird sie nun schweigsam (Abb. 15.5).

15.5 Die Synapse als Ort der Datenverarbeitung und der Integration verschiedener Stimuli 15.5.1 Die amplitudenmodulierten postsynaptischen Potentiale erlauben Summation oder Subtraktion Neurone empfangen in aller Regel Information nicht nur çber eine, sondern çber sehr viele, oft çber viele hundert Synapsen. Wegen dieser zahlreichen (teils erregenden, teils hemmenden) Eingånge ist das Signal einer einzelnen Synapse nicht ausschlaggebend fçr die Reaktion des Neurons.

15.5 Die Synapse als Ort der Datenverarbeitung und der Integration verschiedener Stimuli

Abb. 15.7 a±c. Input-output-Beziehungen an Synapsen. Beispielhaft dargestellt jeweils fçr ein Neuron mit einem Axon als Ausgang und zwei Informations-Eingången. a Zwei excitatorische Eingånge, b ein excitatorischer und ein inhibitorischer Eingang, c zwei excitatorische Eingånge, die simultan und hochfrequent feuern (c1). Das Besondere liegt hier an der Reaktion des nachgeschalteten Neurons auf die doppelte

Stimulation. Simultan durch zwei Sendezellen hochfrequent stimuliert, antwortet die Zelle çber Sekunden, Minuten oder gar Stunden mit Aktionspotentialen, auch wenn beide Sender mittlerweile wieder schweigen. Dies nennt man Langzeitpotenzierung; sie tritt nur bei bestimmten Neuronen auf, die man vor allem im Hippocampus der Groûhirnrinde findet und mit Gedåchtnisbildung in Beziehung gebracht werden

Was zåhlt, ist die Ûberlagerung (Summation) der Aktivitåt vieler einzelner Synapsen. Wird einer Empfångerzelle nur einmal kurz Transmitter verabreicht, regt sie das im Allgemeinen nicht sonderlich auf. Erst bei wiederholter Reizung in kurzer Folge reagiert sie mit einem Feuerwerk an Aktionspotentialen.

langdauernd und graduierbar ist, kænnen sich zwei und mehr zeitlich çberlappende EPSP aufsummieren. Je stårker die aufsummierte Depolarisation, desto eher und långer erfasst sie auch die Initialzone am Axonhçgel. Dort bricht dann das Feuerwerk der Aktionspotentiale los (Abb. 15.5 u. 15.6).

Zeitliche Summation. An pråsynaptischen Terminals laufen kurz nacheinander mehrere Aktionspotentiale ein. In der Empfångerzelle kommt es zu Depolarisationen vom Typ der EPSP. Da das Absinken der Membranspannung bei einem EPSP

Råumliche Summation oder Subtraktion. Statt von einem einzigen Axon nacheinander kommen von verschiedenen Axonen aufregende (excitatorische) Stimuli auf den Empfånger zu. Wieder kommt es zur Summation. Oder es kommt zur

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15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

Subtraktion, wenn der eine Input excitatorisch, der andere inhibitorisch ist (Abb. 15.7). Die Begriffe Summation und Subtraktion sollen keine exakten numerischen Rechenoperationen andeuten, sondern eine graduell zunehmende Depolarisation oder Hyperpolarisation des postsynaptischen Potentials, wobei Summation die Empfångerzelle zu schnellerem, Subtraktion zu langsamerem Feuern von Spikepotentialen veranlasst. 15.5.2 Summation, Bahnung und Inhibition ermæglichen Datenverarbeitung Man kann sich nun wohl vorstellen, wie an Synapsen Rechenoperationen und logische Operationen (¹undª, ¹oderª, ¹wenn-dannª) durchgefçhrt werden kænnten. Es scheint jedoch, dass mit synaptischen Inputs ausgestattete Zellen eher eingehende excitatorische und inhibitorische Einflçsse integrieren als dass sie auf der Basis weniger Inputereignisse Alternativentscheidungen tråfen. Jedenfalls verrechnen die meisten Nervenzellen Information aus hunderten oder gar tausenden synaptischen Eingången. 15.5.3 Langanhaltender Bahnungserfolg dçrfte bei Lernen und Gedåchtnisbildung von Bedeutung sein Man ist es gewohnt, dass wiederholte Reizung abstumpft. Auch einzelne Sinnes- oder Nervenzellen kænnen abstumpfen (Adaptation). Es gibt jedoch auch das Gegenstçck: ein erster Stimulus bewirkt noch keine oder eine nur schwache Reaktion. Der nåchste Stimulus, so er nicht allzulange auf sich warten låsst, trifft auf eine sensibilisierte Zelle. Sie reagiert williger (Bahnung, Abb. 15.6) und antwortet mit einem eigenen Aktionspotential. Weitere Transmitterpulse kænnen die Reaktionsbereitschaft der Empfångerzelle weiter steigern: Sensibilisierung. Eine erhæhte Reaktionsbereitschaft der Empfångerzelle nach einer Bahnung kann fçr einige

100 ms anhalten; daher wird Bahnung als mægliche Basis fçr das Ultrakurzzeitgedåchtnis diskutiert. Doch auch långer wåhrende Gedåchtnisleistungen dçrften von anfånglichen Bahnungseffekten profitieren. Manchmal reagiert die benachrichtigte Zelle, wenn sie wåhrend einer eigenen Aktivitåtsperiode von einer anderen Senderzelle mit hochfrequenten Stimuli traktiert wird, mit langanhaltenden postsynaptischen Potentialen. Diese gesteigerte Erregung kann Minuten, Stunden, ja Tage anhalten. Man spricht von Langzeitpotenzierung LTP. Neurone, die sich mit der Fåhigkeit zur LTP auszeichnen, findet man in Hirngebieten, die mit Gedåchtnisbildung zu tun haben, wie dem Hippocampus der Groûhirnrinde (Kap. 24.3). Der Langzeitpotenzierung steht die Langzeitdepression gegençber. Die molekulare Basis der Sensibilisierung und der Langzeitpotenzierung ist nur in Einzelfållen bekannt. Nimmt man diese Einzelfålle als beispielhaft, dann ist Phosphorylierung von Komponenten der Synapse an dem Phånomen beteiligt. Wir kommen auf das Phånomen der Sensibilisierung und der Langzeitpotenzierung zurçck, wenn wir Modelle des Lernens und der Gedåchtnisbildung diskutieren (s. Kap. 24). 15.5.4 Pråsynaptische Einflçsse und Neuromodulatoren eræffnen weitere Reaktionsmæglichkeiten Wir haben bisher nur die Reaktion der Empfångerzelle beachtet. Es gibt indessen vielfåltige Rçckwirkungen vom Empfånger auf den Sender. Manche Empfånger senden ein beståtigendes Signal an den Sender zurçck, beispielsweise in Form des gasfærmigen Stickstoffmonoxids NO. Nicht nur der Empfånger, auch der Sender kann einer Kontrolle durch seine Nachbarn unterliegen. Eine solche Nachbarschaftskontrolle ist in Abb. 15.8 angedeutet: Eine Synapse, die vor und nahe einer anderen sitzt, kann diese nachgeordnete Synapse sowohl hemmend wie stimulierend beeinflussen. Es mçssen nicht immer ausgemachte Transmitter sein, die kontrollierend Einfluss

15.5 Die Synapse als Ort der Datenverarbeitung und der Integration verschiedener Stimuli Abb. 15.8. Motorische Endplatte (neuromuskulåre Synapse). Stark vereinfacht. Die acetylcholinhaltigen Vesikeln im Terminal des motorischen Axons æffnen sich çber Rinnen, die von der gefalteten postsynaptischen Zellmembran gebildet werden. Ein pråsynaptischer, inhibitorischer Eingang kann, muss aber nicht, vorhanden sein

nehmen. Neuromodulatoren, von denen es viele gibt (z. B. NO), læsen selbst kein postsynaptisches Potential aus, kænnen aber bahnend oder dåmpfend auf synaptische Prozesse Einfluss nehmen. Unliebsame ¹Neuromodulatorenª sind vielerlei neurotoxische Gifte aus Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren (Beispiele: Abb. 15.9), sowie Drogen. So bindet die Droge Morphin aus dem Schlafmohn Papaver somniferum, eine Hauptkomponente des Opiums, an molekulare Rezeptoren, die normalerweise von endogenen Opioiden wie b-Endorphin besetzt werden sollten. Solche molekularen Endorphin-Rezeptoren drosseln beispielsweise die Signalçbertragung von den Schmerzsensoren der Haut und der inneren Organe auf Rçckenmarksneurone (Abb. 15.10). Vorgånge an Synapsen sind essentielle Grundelemente des Verhaltens von Tier und Mensch. 15.5.5 Gliazellen in der Umgebung einer Synapse haben vielfåltige unterstçtzende und kontrollierende Funktionen Synapsen sind in aller Regel umgeben von Gliazellen, speziell von Astrocyten. Definitionsgemåû sind Gliazellen neuronenåhnliche Zellen, die jedoch nicht mit Axonen ausgestattet sind und keine Aktionspotentiale erzeugen und leiten. Dies

besagt jedoch nicht, dass sie nicht erregbar wåren, in dem Sinne, dass ihr Zellmembranpotential stets gleich bliebe. Den Gliazellen werden traditionellerweise unterstçtzende Funktionen bei der synaptischen Signalçbertragung zugeschrieben. l

Beispielsweise helfen sie, Transmitter nach Gebrauch abzuråumen, um die Signalçbertragung zeitlich zu begrenzen; sie nehmen dadurch auch Einfluss auf die Dauer einer Signalçbertragung und Signalwirkung.

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Sie regeln das Ionenmilieu im Umfeld von Nervenzellen und kontrollieren dadurch deren Erregbarkeit.

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Sie kænnen selbst zwar keine Aktionspotentiale leiten, aber zeigen amplitudenmodulierte Schwankungen ihres Membranpotentials.

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Sie kænnen sogar Transmitter freisetzen, beispielsweise ATP oder Glutamat. Unter welchen Bedingungen dies geschieht, ist noch unklar.

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Sie færdern die Bildung von Synapsen zwischen Nervenzellen in der Embryonalentwicklung und auch danach (z. B. durch Sekretion von Cholesterin) und sie helfen beim Umbau vorhandener Synapsen.

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15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

Abb. 15.9. Neurotoxische Gifte und ihre Angriffspunkte an einer cholinergen Synapse

15.5 Die Synapse als Ort der Datenverarbeitung und der Integration verschiedener Stimuli

Beachtenswert ist dies: In unserem Gehirn gibt es 10 ´ mehr Gliazellen als klassische, mit Axonen ausgestattete und Aktionspotentiale leitende Neurone. Wer die Hypothese unterstçtzt, der Glia komme eine groûe Bedeutung zu bei Vorgången wie Lernen und Gedåchtnisbildung, hat wohl sehr gute Chance auf der Seite derjenigen zu stehen, denen zukçnftige Forschung Recht gibt. Mæglicherweise sind Neurone mit Axonen Spezialisten fçr Fernleitung von Information. Viele ¹Gliaª hingegen, vor allem die Astrocyten, kænnten sehr wohl ebenfalls echte Neurone sein, die aber nicht mit Fernleitung beauftragt sind, sondern mit Informationsverarbeitung an Ort und Stelle. Dazu wçrde passen, dass nach neuen Erkenntnissen der molekularen Entwicklungsbiologie Glia sich in ¹echteª Neurone umwandeln kænnen (s. Mçller u. Hassel 2006). Dieses einfçhrende Lehrbuch kann solchen Hypothesen nicht weiter nachgehen, will aber Neugier auf kommende neue Erkenntnisse wecken.

Abb. 15.10. Neuromodulatoren: ein Beispiel in einer Schmerzbahn. Ûber den Endorphin-Rezeptor, an den auch das Morphin des Schlafmohns bindet, werden Úffnungsdauer und Úffnungswahrscheinlichkeit von Calcium-Kanålen reduziert. Dies wiederum drosselt die synaptische Ûbertragung des Schmerzsignals. Das Endorphin des Kærpers und ebenso das Morphin mildern den Schmerz

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15 Synapsen: Transmission und Verarbeitung von Information

Zusammenfassung des Kapitels 15 Synapsen, winzige Kontaktstrukturen zwischen Sinneszellen und Nervenzellen, zwischen Nervenzellen und Muskelzellen und zwischen Nervenzellen untereinander, dienen der Ûbertragung von Botschaften, die bis zu diesen Ûbertragungsstellen und danach wieder von Serien elektrischer Impulse (Aktionspotentiale) codiert und weitergeleitet werden. Solche Impulse kænnen die aus Bçndeln von gap junctions bestehenden elektrischen Synapsen, wie sie zwischen Herzmuskelzellen vorkommen, direkt passieren. In der Mehrzahl der Synapsen, den chemischen Synapsen, wird die Botschaft mittels Transmittersubstanzen çber einen synaptischen Spalt hinweg çbertragen. An der pråsynaptischen Endstelle eines zufçhrenden Nervenaxons stehen Vesikel bereit, von denen je nach Zahl und Frequenz ankommender Aktionspotentiale verschieden viele per Exocytose ¹Quantenª von Transmitterstoff in den synaptischen Spalt entlassen. Bekannte Transmitter sind Acetylcholin, die Monoamine Noradrenalin und Dopamin, die Aminosåuren Glycin, Glutamat und GABA (c-Aminobuttersåure), ATP und verschiedene Peptide. In der postsynaptischen Membran fangen Rezeptoren den Transmitter auf und besorgen den Einstrom von Ionen in die Empfångerzelle. Der Einstrom geschieht bei ionotropen Synapsen çber Liganden-gesteuerte Ionenkanåle, die selbst Rezeptorcharakter haben; bei metabotropen Synapsen sind Rezeptor und Ionenkanal

getrennt, und die Úffnung der Kanåle wird çber ein Signaltransduktionssystem gesteuert. Folge des Ioneneinstroms ist eine Modulation des elektrischen Membranpotentials der Empfångerzelle. Dieses Potential ist in seiner Amplitude variabel (Codierung durch Amplitudenmodulation AM) und breitet sich langsam çber die Empfångerzelle aus, bis zu der Stelle, an der wieder auf Aktionspotentiale (Codierung durch Frequenzmodulation FM) umgeschaltet wird. Die Frequenz der dort ausgelæsten Aktionspotentiale kann ansteigen oder absinken. Bei Einstrom von Kationen an der postsynaptischen Membran wird die Empfångerzelle depolarisiert; man registriert ein excitatorisches postsynaptisches Potential EPSP, das seinerseits bei çberschwelliger Amplitude die Aussendung von Aktionspotentialen stimuliert; bei Einstrom von Chlorid kommt es zu einem hyperpolarisierten inhibitorischen postsynaptischen Potential IPSP, das die Frequenz herabsetzt, mit der die postsynaptische Zelle ihrerseits Aktionspotentiale erzeugt. Steht eine Empfångerzelle mit mehreren Befehlsgebern in Kontakt, kænnen sich die amplitudenmodulierten EPSP und IPSP çberlagern; man beobachtet Phånomene der Summation oder Subtraktion sowie der zeitlichen und råumlichen Bahnung. Generell gilt: chemische Synapsen und die postsynaptischen AM-Potentiale dienen nicht nur der Ûbertragung, sondern auch der Integration und Verarbeitung von Information.

16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

Das Tier als heterotrophes Wesen muss seiner Nahrung nachgehen, nachschwimmen oder nachfliegen. Es muss sich bewegen, um an die Quellen der Gaumenfreude zu gelangen. Es muss sich auch bewegen, um seinen Liebling zu finden, ihm zuzulåcheln und zuzuwinken. Schlieûlich gibt es unter seinesgleichen auch Råuber, und so kann es bisweilen ratsam sein, sich rasch aus dem Staube zu machen. Kurz: das ¹richtigeª Tier braucht Bewegungsantrieb, braucht Muskeln. Und selbst wenn es schlåft, muss sein Herz weiterpochen. Fortbewegung, Gestik, Mimik, Schlucken, Hecheln und das erwartungsvoll-ångstliche Klopfen unseres verliebten Herzens, all das beruht auf der Fåhigkeit spezialisierter Zellen, sich auch dann zu verkçrzen, wenn Widerstånde Arbeit erzwingen. Und selbst wenn auf Arbeit verzichtet wird: der Muskel kann wie ein Motor im Leerlauf auch zu Wårmeproduktion ge- oder missbraucht werden.

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Jede aktive Bewegung von tierischen Organismen und auch von Einzellern, die nicht durch Cilienschlag bewerkstelligt wird, beruht auf der Wechselwirkung von Actin, Myosin und ATP, wobei eine Konformationsånderung des Myosinmolekçls das bewegende Moment liefert.

Einzelne Zellen sind schwach, aber Zellen kooperieren. l

Milliarden von vielkernigen, langgestreckten Zellen, quergestreifte Muskelfasern genannt, ordnen sich achsenparallel zu den hochgewælbten Skelettmuskeln unserer Kraftsportler und Bodybuilder.

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Abertausende von spindelfærmigen, einkernigen Zellen ordnen sich zu flåchigen glatten Muskeln um Hohlorgane herum, um Arterien, um den Magen-Darm-Trakt, um Blase und Gebårmutter.

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Der pumpende Herzmuskel verdient unsere Hochachtung und Wertschåtzung durch sein unermçdliches, lebenslanges und lebenserhaltendes Arbeiten.

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Der Zoologe kennt darçber hinaus Spezialisten mit faszinierenden Rekordleistungen, wie die hochfrequent oszillierenden Flugmuskeln der Insekten oder den nimmermçden Sperrmuskel einer Muschel.

Zu unserer Erleichterung ist der kontraktile Apparat in allen Muskeltypen åhnlich konstruiert. Wir kænnen uns erst einmal auf die quergestreifte Faser als Grundmodell konzentrieren.

16.1 Die Arbeitsweise einer Muskelfaser 16.1.1 Muskelfasern enthalten als Krafterzeuger Actinund Myosinfilamente, die in der quergestreiften Faser zu Myofibrillen gebçndelt und in funktionelle Långseinheiten (Sarkomere) gegliedert sind Nomenklatur: griechisch: myos = Muskel, sarkos = Fleisch, meros = Teil, Abschnitt; lateinisch: tubu(lu)s = Ræhre. Die Struktur einer Faser wird erst aus ihrer Entwicklung heraus verståndlich. Wåhrend der Embryonalentwicklung ordnen sich jeweils meh-

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

rere Myoblasten zu einer Kette und fusionieren zu einem vielkernigen Syncytium, einem langgestreckten Myotubus, der sich zur Muskelfaser ausdifferenziert. Die fertige Faser misst 5 bis 100 lm im Durchmesser, ist im Regelfall 1 bis 2 mm lang, kann aber bis zu 15 cm Långe erreichen und sich von einem Ende des Muskels bis zum anderen erstrecken. Wenn es um die Beschreibung von Details geht, verwenden Cyto- und Histologen aus Tradition (zum Teil gånzlich unnætige) Spezialtermini, die den Wortstamm sark enthalten:

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Sarkolemm fçr die Zellmembran,

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Sarkoplasmatisches Reticulum fçr das Endoplasmatische Reticulum ER, etc.

Eine quergestreifte Faser ist also eine langgestreckte Zelle. Sie ist in seriell hintereinander angeordnete Module gegliedert, die man Sarkomere nennt. Die trennenden und zugleich verbindenden Strukturen zwischen diesen Modulen sind die Z-Scheiben. Jedes Modul hat die gleiche mikroanatomische und molekulare Ausstattung und wirkt als funktionelle Einheit (Abb. 16.1, 16.2

Abb. 16.1. Quergestreifte Muskelfaser. Ausschnitt. Die Zahl der Actin- und Myosinfilamente in einem Bçndel ist weit hæher als hier eingezeichnet, im typischen Fall im Querschnitt ca. 1000 Myosinståbe und 3000 Actinståbe

16.1 Die Arbeitsweise einer Muskelfaser

Abb. 16.2. Myofilamenten-Apparat

u. 16.3). Die stabfærmigen Elemente des ¹kontraktilen Apparatesª im Inneren der Sarkomere addieren sich entlang der Faser zu einer langen ¹Myofibrilleª. Diese Bezeichnung stammt aus der Zeit, als noch kein Elektronenmikroskop zur Verfçgung stand; denn bei der unzureichenden Auflæsung des Lichtmikroskops sieht die Gesamtstruktur trotz ihrer periodischen Unterbrechung durch die Z-Scheiben wie ein Bçndel durchgehender Fibrillen aus.

Abb. 16.3. Sliding-filament-Modell

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Myofibrillen sind also Bçndel seriell aufgereihter Proteinfibrillen innerhalb der Zelle, die jeweils aus bis zu ± 3000 parallelen Actinfilamenten und dazwischen eingebetteten ± 1000 parallelen Myosinfilamenten bestehen. Beide ¹Filamenteª haben jedoch nicht die hohe Flexibilitåt eines Fadens (Filament = Faden), sondern eher die eingeschrånkte Flexibilitåt einer sehr dçnnen Glasfaser.

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In der ¹quergestreiftenª Muskelfaser sind die Actin- und Myosinståbe der Module exakt achsenparallel ausgerichtet, und die Module benachbarter Myofibrillen liegen auf exakt gleicher Hæhe (Abb. 16.1); so çbertrågt sich die modulare Gliederung der intrazellulåren Myofibrillen auf die gesamte Zelle. Die Muskelfaser erscheint bei bestimmter Beleuchtung (Polarisationsmikroskop) oder nach Anfårbung quergestreift.

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T-Tubuli. Das System der transversalen Tubuli besteht aus schlauchartigen Einstçlpungen der Zellmembran (des Sarkolemms). In regelmåûigen Abstånden entlang der Muskelfaser, im Regelfall in Hæhe der Z-Scheiben, sind rings um die Faser offene Poren zu sehen (Abb. 16.1). Es sind dies die Eingånge in die T-Ræhren, die radial in die Faser hineinfçhren, ohne sich an ihrem Ende zu æffnen. Die T-Ræhren ziehen

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

in Hæhe der Z-Scheiben um die Myofibrillen herum und endigen im Zentrum der Faser blind. T-Ræhren leiten Erregung in Form von Aktionspotentialen von der åuûeren Zellmembran ins Zellinnere in die unmittelbare Nachbarschaft des zweiten Ræhrensystems. l

Longitudinales Ræhrensystem des endoplasmatischen Reticulums (ER). Dieses ausgedehnte Ræhrensystem zieht den Myofibrillenkabeln entlang, ist rein intrazellulår, entspricht dem konventionellen ER und enthålt wie jedes ER einen Vorrat an leicht mobilisierbaren Calcium-Ionen (Ca2+). Die funktionell wichtigen Kontaktstellen zwischen den beiden Ræhrensystemen heiûen Triaden.

Die funktionelle Einheit, das Sarkomer, wird an seinen beiden Enden von je einem flåchigen Netzwerk aus verknçpften Proteinfåden (Z-Scheiben) begrenzt. An diesem Netzwerk sind Actinståbe verankert. Von beiden Enden eines Sarkomers ragen Actinståbe in seinen Binnenraum. Zwischen die Actinståbe sind beweglich gelagerte Myosinståbe eingeschoben. Actin- und Myosinfilamente çberlappen sich. Im Querschnitt eines Myofibrillenbçndels zeigt sich im Ûberlappungsbereich eine gitterartige Struktur: Jeder Myosinstab ist von sechs Actinståben umgeben (Abb. 16.3). In der Långsrichtung eines Myofibrillenkabels wiederholen sich periodisch im Abstand der Sarkomere die Zonen der Ûberlappung. Diese quasikristalline Struktur bietet dem Licht im Polarisationsmikroskop abwechselnd die Struktur eines doppelbrechenden (anisotropen) und eines einfachbrechenden (isotropen) Kærpers; hierauf beziehen sich die traditionellen Bezeichnungen A-Bande, I-Bande und quergestreift, meinend die regelmåûige Abfolge von A- und I-Banden.

Die Actinståbe (Actinfilamente) sind 5 nm dick und starr. Sie sind polymere Gebilde: Globulåre G-Actin-Monomere koppeln sich erst paarweise zu Actin-Dimeren und diese verketten sich zu fibrillåren F-Actinfilamenten; zwei Filamente umschlingen sich zu einer starren Doppelhelix, dem Actinstrang. Die Doppelhelix wird begleitet von regulatorisch tåtigen langgestreckten Tropomyo-

sin-Molekçlen und globulåren Troponin-Komplexen. Die aus (mindestens) drei Proteinen bestehenden Troponin-Komplexe haften in regelmåûigen Abstånden am Actinstrang. Darçber hinaus kennt der Fachmann noch weitere Proteinkomponenten (z. B. Nebulin), denen wir aber unsere Aufmerksamkeit versagen. Die Myosinståbe (Myosinfilamente) sind 10 nm dick und komplexer aufgebaut. Je zwei langgestreckte Myosinmonomere zwirbeln sich zu einem helikalen Dimer zusammen. Viele Dimere werden zum Strang gebçndelt. Das einzelne Myosinmonomer trågt am Ende einen seitlich abstehenden Kopf; ein Dimer hat folglich einen Doppelkopf. Der gesamte Myosinstrang enthålt ca. 150 Dimere und hat entsprechend ca. 150 seitlich abstehende Doppelkæpfe. Sie sind regelmåûig entlang einer (gedachten) Wendel angeordnet; zwei Doppelkæpfe haben einen Abstand von 14,3 nm und sind in einem Winkel von 120o gegeneinander versetzt. Die gebçndelten Myosinståbe werden zwischen den Actinståben in Schwebe gehalten durch elastische Federn aus dem Protein Titin; diese verankern die Myosinfilamente an den Z-Scheiben und zentrieren sie in der Mitte des Sarkomers (Abb. 16.2). Darçber hinaus hålt ein feines Netzwerk aus Proteinen, die M-Zone in der Mitte des Sarkomers, alle Myosinfilamente zusammen. Die Actinståbe und die zwischen ihnen schwebenden Myosinståbe sind entgegengesetzt polarisiert. Die Actinfilamente erstrecken sich von den Z-Scheiben in Richtung Sarkomermitte, zu der sie mit ihrem Minusende weisen. (Das Plusende, an dem die Filamente einstmals durch Anpolymerisierung von G-Actin-Dimeren wuchsen, ist an der Z-Scheibe verankert.) Die Myosinståbe zeigen umgekehrt von der Sarkomermitte nach links und rechts. Erkennbar ist ihre bipolare Struktur an der Blickrichtung der seitlich aus dem Bçndel herausragenden Myosinkæpfe. Beim Zusammenbau eines Myosinstabes werden die Myosindimere so gebçndelt, dass die linke Hålfte der Kæpfe zum linken Ende des Sarkomers schaut, die rechte Hålfte zum rechten Ende. Diese bipolare Struktur ist funktionell bedeutsam.

16.1 Die Arbeitsweise einer Muskelfaser

16.1.2 Funktionsprinzip ist das teleskopartige Ineinanderschieben der Actin- und Myosinståbe Manchmal ist die Natur mit uns gnådig und erfindet sehr einfache Dinge. Wir verkçrzen unsere Muskeln, indem wir schlichtweg die Actinståbe teleskopartig çber die Myosinståbe zusammenschieben (Abb. 16.3). Man spricht vom Gleitfilament (sliding filament) Mechanismus. Der Spielraum ist zwar gering (max. ca. 0,4 lm pro Sarkomer), doch geringe Betråge addieren sich von Sarkomer zu Sarkomer und von Muskelfaser zu Muskelfaser. Ein typischer Muskel kann sich schlieûlich auf 50% seiner Långe zusammenziehen. Die Gnade der Natur hat Grenzen. Einfache Erklårungen sind uns ± bis heute jedenfalls ± versagt, wenn es darum geht l

wie die chemisch gespeicherte Energie des ATP in mechanische Bewegung umgesetzt wird (chemisch-mechanische Energieumwandlung) und

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wie eine Kraftentfaltung des Muskels mæglich ist, auch wenn er sich gar nicht verkçrzen kann, weil der Gegenstand, den wir bewegen wollen, beispielsweise festgeschraubt ist (isometrische Kontraktion). 16.1.3 Die Actin- und Myosinstangen werden von vielen ATP-getriebenen Minimotoren gegeneinander verschoben. Die Motoren sind hin und her pendelnde Myosinkæpfe (Querbrçcken)

Beim Kontraktionsvorgang nehmen die seitlich an den Myosinståben herausragenden Hebelarme (lever arms) mit ihren ¹Doppelkæpfenª Kontakt zu den benachbarten Actinstrången auf. Dies ist gewiss; denn man kann die Kontakte sogar im Elektronenmikroskop sehen, und unter bestimmten experimentellen Bedingungen (plætzlicher ATP-Entzug) kleben Actin und Myosinhebelarme fest aneinander. Ebenso ist gewiss, dass die Myosinkæpfe durch den Kontakt zu den Actinstrången ATPase-Funktion gewinnen, ATP hydrolysieren

und dabei ihre sterische Konformation åndern. Was darçber hinaus erzåhlt wird, ist Hypothese, abgeleitet aus biophysikalischen ¹Hightechª-Untersuchungen nackter Faserpråparate und verblçffenden Mikroexperimenten an isolierten molekularen Motoren. Beispielsweise werden abgelæste Myosinarme mit ihrem Schulterende auf einer Unterlage fixiert; ihre Motoreinheiten (¹Kæpfeª) bleiben frei beweglich. An isolierte Actinstrånge werden andererseits Kçgelchen aus einem fluoreszierenden Material als Laterne angehångt. Eine Læsung von ATP und solchen Actinstrången wird çber die Myosinmotoren geschichtet. Nun sieht die Kamera des Fluoreszenzmikroskops, wie die Actinstrånge mit ihrer Laterne von den Myosinmotoren çber die Unterlage geschoben werden. Strukturell werden Pråparate von Muskelfasern untersucht, deren læsliche Komponenten ausgewaschen wurden und die deshalb ihren kontraktilen Apparat nackt offenbaren. Von ihm werden unter verschiedenen Bedingungen Ræntgenbeugungsmuster erzeugt und mit Kernspinresonanz-Spektroskopen Bilder aufgenommen; diese Muster und Bilder werden mit Computern ausgewertet.

Die seitlich von den Myosinståben abstehenden ¹Hebelarmeª (lever arms) arbeiten als Motorproteine. Sie pendeln periodisch hin und her, wobei die Hånde in jeder Schwungphase das Actinfilament ergreifen und ein Stçck bewegen ± so wie die Arme eines Seemanns ein Tau Stçck fçr Stçck heranziehen. Bei der Rçckwårtsbewegung der Arme wird jeweils unter ATP-Verbrauch im MyosinDimer eine Feder gespannt, die beim Loslassen nach vorne schnellt und Zugkråfte auf das Actinfilament ausçbt (power stroke). Der Myosinmotor ist Paradebeispiel fçr ein zyklisch arbeitendes System (s. auch Abb. 3.2 a). Die Muskelforscher haben im Laufe der Zeit ein kurioses und kunterbuntes Bildergemisch gezeichnet. Die seitlich aus den Myosinfilamenten herausragenden, pendelnden Gebilde werden mal als ¹Querbrçckenª (cross bridges), mal als Hebelarme (lever arms) mit ¹Halsª (neck) und ihre Enden als ¹Doppelkopfª (double head) oder Motor (myosin motor) bezeichnet; die Arme mit ihren Kæpfen

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

Abb. 16.4. Schwingender Hebelarm einer Myosin-Querbrçcke (eines Myosin-Hebelarms). Nach dem gezeigten Standardmodell wird die meiste Energie fçr das Rçckwårtsspannen des Hebels verbraucht (Spaltung von ATP in ADP + P)

kænnen wie Fçûe çber die Actinfilamente wandern. Wichtigste Aussage all dieser Bilder ist: die Myosinkæpfe bewegen sich auf dem Actinstrang in Richtung seines Plusendes und ziehen dabei Actinund Myosinstrånge aneinander vorbei. Zu klåren wåre, wie nach diesem Bild im Einzelnen ATP eingesetzt wird und wie die Kæpfe, alias Arme, alias Fçûe, Zugkraft entfalten. Nach dem derzeit am meisten vorgestellten Modell wiederholt sich folgender Viertaktzyklus (Abb. 16.4):

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Phase 1: Der Myosinkopf haftet am Actinfilament. Er wird mittels ATP gelæst, wobei das ATP seinerseits an den Myosindoppelkopf gebunden wird. Mangel an ATP macht den Muskel starr. Wenn alles noch verfçgbare ATP aufgebraucht ist, verfållt die Leiche in Totenstarre. Diese læst sich erst wieder, wenn proteolytische Enzyme den Zerfall aller Ordnung bewirken.

16.1 Die Arbeitsweise einer Muskelfaser l

Phase 2: Der Myosindoppelkopf wird gegen den Widerstand einer molekçlinternen Feder nach hinten gebogen. Die Feder ist im elastischen ¹Halsª des Myosinmolekçls verwirklicht. Die Energie fçr das Abbiegen wird aus der Hydrolyse des ATP bezogen. Die Spaltprodukte ADP und Phosphat bleiben indes zunåchst am Myosinkopf gebunden.

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Phase 3: Mit anhångendem ADP kann der Myosindoppelkopf Kontakt zum Actinstrang aufnehmen. Dies geschieht ein kleines Stçck hinter der Stelle, die beim Start des Zyklus Verankerungspunkt gewesen war. Bei oder kurz vor der Kontaktaufnahme fållt Phosphat ab.

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Phase 4: Auch ADP wird abgehångt. Dabei schnellt die gespannte Feder nach vorn und schiebt die Actinstange ein Stçckchen vor. Håufig wird dieses Vorwårtsschnellen des Myosinkopfes als Kraftschlag (power stroke) bezeichnet. Die im ATP gespeicherte Energie wird jedoch çberwiegend bei dem Spannen der Feder gebraucht. Bei diesem Prozess (Phase 2) wird ja auch das endståndige Phosphat des ATP hydrolytisch abgekoppelt.

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Phase 5 = Phase 1; der nåchste Zyklus startet.

Eine Besonderheit der Myosinmotoren ist, dass jeder einzelne Hebelarm nach einem Kraftschlag den Kontakt zum Actinfilament aufgibt, um neu ausholen zu kænnen. Eine långer anhaltende Zugwirkung ist deshalb nur mæglich, wenn mehrere Hebelarme tåtig sind und die Hebel nicht synchron, sondern abwechselnd den Actinstrang loslassen und neu ausholen (s. Abb. 16.2). In einem Arbeitszyklus verschieben wir die Myosin- und Actinstangen nur um 20 nm, das sind 1% ihrer Långe. Wir wiederholen die Zyklen in rasender Folge zwanzig Mal, sodass in nur 1/10 s eine Verschiebung um 20% der Långe erreicht wird. Dies geschieht in jedem Sarkomer der Faser. Die kleinen aktuellen Betråge ± 8 bis 20 nm pro Zyklus ± addieren sich zu einer sichtbaren Gesamtverkçrzung. (Der Betrag der Verkçrzung ist keine konstante Græûe, sondern Last-abhångig. Je græûer die Last, desto geringer die Verkçrzung.)

16.1.4 Bei einer isometrischen Kontraktion, d. h. bei bloûer Kraftentfaltung ohne Verkçrzung, werden Federn gespannt Wenn ich mit den Zåhnen knirsche oder mit meinen Hånden gegen einen starren, nicht bewegbaren Widerstand drçcke, so hangeln sich auch in diesem Fall die Myosinarme ein Stçck weit den Actinstrången entlang. Dabei ziehen die Myosinarme aber nicht das Myosinbçndel in seiner Gesamtheit an den Actinstrången vorbei, sondern ziehen lediglich Gummifåden bzw. Federn lang (Abb. 16.5). Wo die elastischen Elemente sitzen, låsst sich so genau nicht lokalisieren. Gemeinhin wird der Hals der Myosindimere als elastisches Element angesehen. Doch ein gewisses Maû an Elastizitåt dçrfte sich çber die ganze Myofibrille, die gesamte Muskelfaser, den gesamten Muskel und die anhångenden Sehnen erstrecken.

Abb. 16.5. Isometrische Kontraktion. Es werden elastische Elemente, symbolisiert durch eine Feder, gespannt, doch kommt es nicht zu einer Relativverschiebung der Actin- gegen die Myosinfilamente

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

Jedenfalls nimmt die Långselastizitåt potentielle Energie auf. Bricht der Widerstand, schnellt das Gesamtsystem zusammen und verwandelt die potentielle in kinetische Energie. 16.1.5 Calcium-Pulse starten die Kontraktion und vermitteln die elektromechanische Koppelung Sieht man vom Herzmuskel ab, sind unsere Muskeln nicht ruhelos tåtig. Im Regelfall wird dem Muskel çber nervale Impulse und Transmitter signalisiert, wann, wie rasch und mit wieviel Kraftaufwand er arbeiten soll. Verfolgen wir eine Befehlskette in zeitgedehnten Videoaufnahmen (Abspielgeråt ist das Fantasiemodul unseres Gehirns), so sehen wir im Minimalfall folgende Ereignisse (Abb. 16.6):

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In den Terminals motorischer Axone, den neuromuskulåren Synapsen (motorischen Endplatten), låuft ein Aktionspotential ein. Es wird ein Acetylcholin-Puls in den synaptischen Spalt gespritzt.

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ACH-Rezeptoren der postsynaptischen Membran mit Kanalstruktur fangen den Transmitter auf. Die Kanåle æffnen sich; es entsteht ein EPSP, ein excitatorisches postsynaptisches Potential, und es soll çberschwellig sein.

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Beidseitig der motorischen Endplatte werden auf der Membran der Muskelfaser Aktionspotentiale gefeuert. Die Impulse laufen in entgegengesetzte Richtung çber die Faser und dringen çber die T-Kanåle tief in die Muskelfaser hinein. Die ganze Faser wird durch und durch ¹elektrisiertª.

Abb. 16.6. Elektromechanische Koppelung. Aktionspotentiale æffnen im Bereich der Triaden L-Typ-Calcium-Kanåle der Zellmembran. Beim Úffnen dieser Kanåle çbertrågt sich ein mechanisches Signal auf die benachbarten Calcium-Kanåle des endoplasmatischen Retikulums, die sich ebenfalls schlagartig æffnen. Calcium-Ionen stræmen, getrieben von einem hohen Diffusionsdruck, von Auûen und mehr noch aus dem ER ins Cytosol und es kommt zu einem explosionsartigen Anstieg der Calcium-Konzentration im Umfeld des kontraktilen Apparates. Die Calcium-Ionen pråparieren çber die Troponin-Tropomyosin-Komplexe den Actinstrang so, dass die Hebelarme der Myosinquerbrçcken angreifen kænnen

16.1 Die Arbeitsweise einer Muskelfaser l

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Alsdann kommen zwei Sorten von Ca2+-Kanålen ins Spiel, durch die schlagartig Ca2+-Ionen in den Faserinnenraum stçrzen. Die Ca2+-Konzentration dort ist im Ruhezustand der Faser mit nur 10±7 molar åuûerst gering, das Konzentrationsgefålle entsprechend groû. Die eine Sorte der Ca2+-Kanåle befindet sich in der Membran der T-Tubuli; sie sind als L- oder DHP-Rezeptoren bekannt; sie werden durch Dihydropyridin (DHP) blockiert. Die zweite Sorte von Ca2+-Kanålen sitzt in der Membran des Endoplasmatischen Reticulums; sie konnte identifiziert und isoliert werden, weil das Kanalprotein das pflanzliche Alkaloid Ryanodin bindet. An den Triaden, wo die transversalen T-Tubuli die longitudinalen Ræhren des Endoplasmatischen Reticulums berçhren, sind beide Arten von Ca2+-Kanålen einander so eng benachbart, dass sie physikalischen Kontakt zueinander haben. Beim Einlaufen eines Aktionspotentials springen in der Tubulusmembran die spannungsgesteuerten DHP-Ca2+-Kanåle auf und ein erster Schwung von Ca2+-Ionen stçrzt ins Innere der Faser. Beim Úffnen der DHP-Ca2+-Kanåle springt das Signal auf die Ryanodin-Ca2+-Poren des ER çber. Durch den direkten Kontakt der beiden Kanåle wird mutmaûlich ein mechanischer Impuls çbertragen, der schlagartig die RyanodinRezeptoren schlieût. Es schieût eine Lawine weiterer Calcium-Ionen aus dem ER ins Cytosol. Die Binnenkonzentration an Ca2+ im Cytosol steigt rasant um das 100 fache von 10±7 auf 10±5 M. Ist die Faser im Experiment zuvor mit Ca2+-sensitiven Fluoreszenzsubstanzen beladen worden, leuchtet sie plætzlich auf. Das blitzartige Aufleuchten und Verlæschen des Fluoreszenzsignals wird von Photozellen registriert und zum Messen der Calciumstræme ausgewertet. Die im Cytosol wie Funken herumsprçhenden Calcium-Ionen erreichen die Actinstrånge und werden dort von den Troponinkomplexen

eingefangen. Diese fungieren als Schalter. Troponin C (ein Protein åhnlich dem Calmodulin, s. Kap. 12) bindet vier Calcium-Ionen. Das Molekçl erfåhrt eine Konformationsånderung, die sich auf den langen Tropomyosinfaden çbertrågt. Der Faden wird aus seiner Lage verschoben, geringfçgig zwar, doch ausreichend, um die zuvor verdeckten Myosin-Bindungsstellen an den Actineinheiten freizulegen. l

Nun folgen die Hebelarm-Zyklen wie oben beschrieben. Der Muskel verkçrzt sich ± oder entfaltet seine isometrische Spannkraft.

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Das Ganze kommt zum Stillstand, wenn die rasend schnellen Calcium-Pumpen wieder soviel Calcium ins ER zurçckgepumpt haben, dass die kritische Konzentration im Cytosol von 10±6 M unterschritten ist.

Dieser langatmige Film zeigte einen Ausschnitt aus einem Drama, das sich abspielt, wåhrend man mit der Faust auf den Tisch schlågt! 16.1.6 Warum wohl Magnesiummangel Muskelkråmpfe verursachen kann Durch TV-Werbespots wird schon der junge Mensch auf eine mægliche schmerzhafte Erfahrung aufmerksam gemacht, die vor allem ålteren Menschen (aber nicht nur diesen) droht: Magnesiummangel kann Wadenkråmpfe auslæsen. Magnesium-Ionen werden bisweilen die ¹vergessenenª Ionen genannt, weil sich die Forschung in der Tat wenig mit ihnen befasst hat. Deswegen kann hier auch keine fundierte Erklårung, sondern nur eine Hypothese angeboten werden. Unsere Hypothese orientiert sich an bestimmten Synapsen im Gehirn (jenen, an denen auch Langzeitpotenzierung auftreten kann). Mg2+ kann in Ca2+-Kanåle eindringen, und hilft, im Ruhezustand des Muskels den Kanal fçr Ca2+ verschlossen und den Muskel im entspannten Zustand zu halten. Wenn Acetylcholin an der neuromuskulåren Synapse ein çberschwelliges EPSP auslæst und ein Aktionspotential çber die Faser

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

låuft, wird durch den Spannungsimpuls Mg2+ verdrångt und Ca2+ kann, seinem Diffusionsdruck folgend, in die Faser einstræmen und eine Muskelkontraktion in Gang setzen. Bei Mg2+-Mangel ist die Auslæseschwelle zu gering, und jede Stærung kann einen Ca2+-Einstrom in die Muskelfasern und dadurch eine Muskelkontraktion auslæsen. Eine umfassende Erklårung mçsste allerdings auch die Muskeldehnungssensoren (s. Abschnitt 16.3) als (weitere) Ursache der Kråmpfe in Erwågung ziehen.

16.2 Der Muskel als Organ: Kooperative Leistungen 16.2.1 Einzelzuckungen superponieren zur tetanischen Kontraktion In physiologischen Grundkursen ist vielerorts ein traditioneller ¹Muskelversuchª auf dem Programm. Ein Froschmuskel wird mit elektrischen Strompulsen zur Kontraktion gebracht (Abb. 16.7). Sind die Reizpulse çberschwellig und folgen die einzelnen Reizpulse in ausreichend groûem Abstand (>1/10 s) aufeinander, wird jeder Reizpuls mit einer isolierten Einzelzuckung beantwortet. Diese folgt dem Alles-oder-Nichts-Prinzip: Dauer und Amplitude der Kontraktion sind stets gleich. Wird hingegen die Reizfrequenz auf > 30 Hz gesteigert, geht der Muskel in eine Dauerkontraktion çber. Hierbei nehmen Kontraktionsamplitude und Kraftentfaltung zu (tetanische Kontraktion). Die çbliche Bezeichnung Tetanus ist nicht ganz korrekt; denn der Tetanus der Medizin ist der bakteriell verursachte Wundstarrkrampf.

Wie ist das Alles-oder-Nichts-Gesetz bei niederfrequenter Reizung und seine Aufhebung bei hochfrequenter Reizung zu erklåren? Und die Steigerung der Kontraktionskraft und Kontraktionsamplitude?

Abb. 16.7 a, b. a Klassischer (Frosch-)Muskelversuch mittels eines Kymographen zur Demonstration des Kontraktionsverhaltens. Der Kymograph zeichnet die Muskelbewegungen çberhæht auf ein um die Trommel gewickeltes Papier. Darunter ist die Aufzeichnung aufgerollt dargestellt. b Modernisierte Versuchsanordnung. Die Messdaten des Kraftmessgeråtes werden ± hier nicht dargestellt ± auf einen Computer çbertragen; dessen Monitor zeigt ein Diagramm Kraft (N) gegen Zeit (s)

16.2 Der Muskel als Organ: Kooperative Leistungen l

Motorische Axone gabeln sich am Ende auf und versorgen mehrere Muskelfasern. Bis zu 1000 Fasern sind zu einer motorischen Einheit zusammengefasst und werden von einem einzelnen Motoneuron kontrolliert. Die Auslæseschwellen (firing levels) der einzelnen Fasern sind jedoch nicht alle gleich. Bei einem Einzelreiz wird ein bestimmtes Kollektiv arbeitswilliger Fasern synchron zur Kontraktion gebracht. Der Muskel zuckt nach dem A-o-NPrinzip. Mit hæherfrequenten Reizen kænnen durch Summation der postsynaptischen Potentiale weitere, weniger arbeitswillige Fasern rekrutiert werden.

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Ûber lange Fasern kænnen bei sehr hohen Reizfrequenzen nacheinander mehrere Aktionspotentiale hinweg laufen, denen mehrere Kontraktionswellen folgen.

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Schlieûlich ± und dies gerade auch bei kurzen Fasern ± kommen bei hohen Reizfrequenzen die Calcium-Pumpen mit ihrer Arbeit nicht mehr nach. Zwischen zwei Impulsen wird das Cytosol nicht mehr freigeråumt; bei einem långer auf hohem Niveau bleibenden Calciumpegel arbeiten die Myosinminimotoren so lange, bis die Faser ihre kurzfristigen Energiereserven aufgebraucht hat und ermçdet.

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Um den einzelnen Fasern eine Erholungspause zu gænnen, kænnen mehrere motorische Einheiten abwechselnd nach çberlappenden Zeitmustern arbeiten. 16.2.2 Die Kraftentfaltung ist bei halbmaximaler Dehnung des Muskels maximal

Muskelphysiologen hatten mit Messanordnungen åhnlich der in Abb. 16.7 gezeigten vor langer Zeit schon festgestellt, dass ein Muskel nicht bei maximaler Långe seine græûte Kraft entfaltet, sondern wenn die Kontraktion ihn auf die Hålfte der Långe verkçrzt hat. Die heutige Vorstellung çber den Kontraktionsmechanismus gibt eine plausible Erklårung hierfçr. Bei maximaler Dehnung findet

Abb. 16.8. Kraftentfaltung eines Muskels in Abhångigkeit von seiner Vordehnung. Die Maximalkraft ist erreicht, wenn alle Myosinmotoren Kontakt mit den Actinstrången aufnehmen kænnen

nur ein kleiner Teil der Myosinmotoren Kontakt zu den Actinstrången (Abb. 16.8). Bei maximaler Verkçrzung setzen andererseits die Actinståbe das Limit. Im Ûberlappungsbereich geraten sie in Platznot und die Myosinmotoren schieben die von der Gegenseite in ihren Bereich eindringenden ¹falschenª Actinståbe zurçck. Skelettmuskeln sind in der Regel so zwischen zwei Befestigungspunkten eingespannt, dass sie auch im Grundzustand bei Streckung unserer Gliedmaûen schon ein gutes Maû an Vordehnung mitbekommen. Reiût die Achillessehne, schnurrt der dreikæpfige Wadenmuskel (Musculus triceps surae) zusammen und der Chirurg muss den måchtigen Muskel kråftig lang ziehen, um den Anschluss an die Sehne wiederherstellen zu kænnen.

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

16.2.3 Muskeln erzeugen nur Zugkråfte; sie brauchen zur Gegenbewegung die Mithilfe von Antagonisten Muskeln kænnen nur ziehen. Dies gilt fçr glatte Muskeln ebenso wie fçr quergestreifte. Will man drçcken, braucht man ein Gelenk oder eine mechanische Umlenkung der Zugkråfte çber eine Kante hinweg (Rollen oder Råder sind in der Regel nicht in den patentierten Konstruktionsunterlagen des Genoms vorgesehen). Will man den Muskel in die Ausgangslage zurçckbringen, ist man mit dem gleichen Problem konfrontiert: Muskeln kænnen zwar erschlaffen, sich aber nicht aktiv dehnen. Zur Reexpansion muss ein Antagonist helfen, der çber umgelenkte Zugkråfte oder

çber dehnende Kråfte den Muskel wieder in die Långe zieht (Abb. 16.9). Bei Hohlorganen, die von glatten Muskelfasern umsponnen sind, werden zwei Prinzipien genutzt: Zur differenzierten lokalen Zugentfaltung sind Fasern im Winkel gegeneinander versetzt. Wir finden beispielsweise um ein Rohr abwechselnd arbeitende Långsfasern und zirkulår verlaufende Querfasern, oder wir finden ein Netzwerk aus gekreuzten Schrågfasern (Abb. 16.9). Beide Systeme ermæglichen es, einen ringfærmigen Kontraktionswulst çber das Rohr laufen zu lassen (propulsive peristaltische Bewegungen des Darmes oder aktiv vorangetriebene Pulswellen in Arterien). Beide Fasersysteme werden gedehnt durch den hydrostatischen Druck im Hohlorgan (z. B. Blutdruck in den Arterien).

16.3 Steuerung der Motorik çber Dehnungssensoren 16.3.1 Zur koordinierten Steuerung von Muskelgruppen braucht das ZNS Wissen çber den momentanen Dehnungszustand eines jeden einzelnen Muskels

Abb. 16.9. Einsatzbereiche von Muskelfasern. Oben: Hebelbewegung beim ,Kniegelenk` eines Insektes. Unten: Propulsive Peristaltik in einem Hohlorgan (z. B. Speiseræhre, Darmrohr)

Wir versuchen beim Basketballspiel den Ball in den Korb zu werfen und springen dabei auch noch hoch. Welche Strecke und mit welcher Vehemenz muss ein jeder am Sprung und Wurf beteiligte Muskel seine Långe veråndern, damit das Ziel erreicht wird? Alle Erfahrung und Ûbung hçlfe nichts, wenn das ZNS nicht Bescheid wçsste, in welchem Dehnungszustand jeder Muskel im Moment ist und wie in jedem Moment ein Istwert an den Sollwert angepasst werden muss. Nur mit diesem Wissen kann ein Steuerungsprogramm fçr eine geeignete Bewegungsfolge errechnet werden. Und nur, wenn die Beinmuskeln einen bestimmten Grad elastischer Steife bewahren, kann am Schluss der Aufsprung abgefedert und ein Abknicken des Knies verhindert werden. Das Wissen çber die aktuelle Muskeldehnung wird dem ZNS von mikroskopisch kleinen Sensoren vermittelt,

16.3 Steuerung der Motorik çber Dehnungssensoren

die in græûerer Zahl in der Muskelmasse und Muskelsehnen eingebettet sind. Es sind die l

Muskelspindeln, welche zwischen die Muskelfasern eingestreut sind, und die aktuelle Muskellånge messen. Sie werden auch als Fçhler eingesetzt, um plætzliche, passiv erzwungene Dehnungen, wie sie beim Aufsprung vorkommen, reflektorisch zu kompensieren.

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Golgi-Sehnenorgane, welche Zugkråfte registrieren. Auf sie werfen wir nur einen kurzen Blick (s. Abb. 18.1), untersuchen sie aber nicht weiter, auch wenn sie die Muskelspindeln in ihrer Aufgabe unterstçtzen.

Beide registrieren den Dehnungszustand des Muskels. 16.3.2 Muskelspindeln funktionieren als Fçhler in Regelkreisen, die der Stabilisierung einer Soll-Muskellånge dienen Muskelspindeln (Abb. 16.10) sind ca. 1 mm lange, weiûliche, spindelfærmige Gebilde, die in jene Muskeln eingebettet sind, die unsere Gliedmaûen und unseren Kopf bewegen und håufig unerwarteten Kråften ausgesetzt sind (der Boxer kann dies schmerzlich erfahren). In besonders groûer Dichte sind sie in der Nacken- und der Fingermuskulatur zu finden. Sie enthalten als Sensoren modifizierte Muskelfasern, die in ihrem zentralen, Myofibrillen-freien Abschnitt von freien Nervenendigungen umsponnen sind. Diese freien Nervenendigungen sind dehnungsempfindliche dendritische Fasern von sensorischen Neuronen, deren zentraler Zellkærper mit Zellkern weit weg in den dorsalen Wurzeln der Spinalnerven liegt. Auf passive Dehnung reagieren die Långensensoren mit phasisch-tonischer Entladung (s. Abb. 17.5), melden also, wie rasch der Muskel gedehnt wird und welche neue Långe er momentan hat. Die am einfachsten zu verstehende Funktion einer Spindel ist ihre Funktion als Fçhler eines Lången-stabilisierenden Regelkreises (Abb. 16.11 u. 16.12). Im Untersuchungszimmer des Arztes

Abb. 16.10. Muskelspindel eingebettet zwischen quergestreiften Muskelfasern. Die Muskelspindel ist ein Sinnesorgan! ± zur Messung der Muskellånge (Muskeldehnung)

wird ein solcher Regelkreis getestet, wenn der Arzt mit dem Gummihammer den Patellarreflex oder den Achillessehnen-Reflex prçft. Bei einem Schlag auf die Sehne unterhalb der Kniescheibe (Patella) wird der Oberschenkelmuskel plætzlich gedehnt. Die Spindeln feuern. Ihre Meldung wird im Rçckenmark unverzçglich den Motoneuronen, die fçr diesen Muskel zuståndig sind, zugeleitet. Diese signalisieren schnurstracks dem Muskel, sich auf die ursprçngliche Långe zu verkçrzen. Seine Långe ist auf den Sollzustand zurçckgefçhrt. In der Praxis des Alltags kommt der Regelkreis beispielsweise zum Zuge, wenn wir am Ende eines Weitsprungs beim Landen unsere kinetische Energie und den Impuls abfedern, um nicht zu hart aufzusetzen oder gar auf die Nase zu fallen

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

Abb. 16.11. Funktion des Lången-stabilisierenden Regelkreises bei passiver Dehnung eines Muskels. Die ursprçngliche Långe (Soll-Långe) wird reflektorisch (trotz bleibender Belastung) wiederhergestellt. Zugleich Beispiel eines monosynaptischen Eigenreflexes

(Abb. 16.12). Freilich wird dabei unser reflektorisches Verhalten nicht nur von den Meldungen der Muskelspindeln, sondern auch von den Meldungen des Gelenksinnes und der Gleichgewichtsorgane (s. Kap. 18) bestimmt. Muskelspindeln enthalten im Regelfall zwei Subtypen von Sensoren. Beide reagieren mit phasisch-tonischen Entladungssalven (s. Abb. 17.5), melden also, wie rasch der Muskel gedehnt wird und welche neue Långe er im jeweiligen Moment hat. Eine der beiden Fasern registriert mehr die phasische Komponente des Reizes, also die ruckartige Verlångerung des Muskels (Beschleunigung) beim Schlag auf die Sehne; die andere meldet deutlicher mit ihrem tonischen (proportionalen) Salvenpart die nach der Korrektur neu erreichte Långe. Sie eignet sich besser, den jeweiligen Lången-Istwert zu registrieren.

Der Muskelspindelreflex ist auch als monosynaptischer Eigenreflex in Lehrbçchern beschrieben; monosynaptisch, weil zwischen dem Sensor, der

Abb. 16.12. Patellar-Reflex und Achillessehnen-Reflex. Im unteren Fall helfen die Reflexe, Stæûe abzufedern, wenn der Fuû nach einem Sprung aufsetzt

die Stærung registriert (Afferenz), und dem Motoneuron, das den Befehl zur Korrektur ausgibt (Efferenz), nur eine Synapse zwischengeschaltet ist. Eigenreflex heiût der Reflexbogen deshalb, weil der registrierende Sensor im selben Organ liegt, dessen Långe geregelt wird und die korrigierende Reaktion ausfçhrt.

16.3 Steuerung der Motorik çber Dehnungssensoren

16.3.3 Bei aktiver Bewegung muss der Lången-stabilisierende Halte-Regelkreis zum Lången-veråndernden Folge-Regelkreis umfunktioniert werden Ein purer Halteregelkreis wçrde jeder willkçrlichen Bewegung zuwider arbeiten. Wenn ein motorischer Nerv çber die neuromuskulåre Synapse (motorische Endplatte) dem Muskel den Befehl gibt, sich zu verkçrzen, schreit der Sensor auf: ¹Halt, ich bin gestaucht worden; der Muskel muss auf den Sollwert expandiert werden!ª Um den widerspenstigen Sensor stillzulegen und ihn gar

zum Mitmachen zu bewegen, wird ein kunstreicher Trick angewandt. Die Endabschnitte der Sensorfasern enthalten noch kontraktile Myofibrillen und kænnen çber die so genannten c-Fasern gespannt werden. Die sensorischen Dendriten, welche die mittlere Faserregion umspinnen, melden: ¹Ich bin gedehnt worden; Muskel verkçrze dich!ª Das soll der Muskel nach unserem Willen sowieso und er kann es nun auch tun, ohne Widerspruch zu provozieren.

Abb. 16.13. Aktive Verkçrzung eines Muskels nach dem Prinzip des Folgereglers. Dargestellt ist eine Situation, in der zuerst çber eine nervale Zuleitung vom ZNS die Spindelfasern durch Aktivierung ihrer beiden endståndigen kontraktilen Abschnitte gedehnt werden. Alsdann erfolgt reflektorisch eine entsprechende Verkçrzung des Muskels. Am Ende ist die Muskellånge wieder proportional der Långe der Spindel, die den Sollwert vorgibt

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

Es hat einige Diskussion çber die Zeitfolge der Ereignisse gegeben: Werden die Spindelfasern im Nachhinein nach den Muskelfasern zur Kontraktion stimuliert, um sie zum Schweigen zu bringen? Oder wird zuerst die Spindelfaser zur Kontraktion gebracht und ihr damit eine passive Dehnung vorgetåuscht? In diesem Fall wçrden sie selbst çber den monosynaptischen Eigenreflex der Hauptmuskel zur Kontraktion veranlassen. Die Zeitfolge mag unterschiedlich sein je nachdem, ob eine Bewegung sehr rasch erfolgen soll (± hierbei mçsste der Sensor nachgestellt werden ±) oder ob man bei sachten Bewegungen Zeit genug hat, erst den Sensor zu verstellen und dann den Muskel folgen zu lassen. Gewiss ist, dass der zeitliche Abstand, in dem Kontraktionsbefehle zur Hauptmuskulatur und gleichlautende Befehle zu den Spindelfasern laufen, mæglichst gering sein sollte.

Regelungstechnisch handelt es sich bei der aktiven, zentralnervæs signalisierten Kontraktion der Spindelfasern um eine Sollwertverstellung. Da die Muskellånge dem neuen Sollwert folgt, ist der Regelkreis zum Folgeregler erweitert worden (Abb. 16.13). Der besondere Vorzug einer solchen Sollwertverstellung (insbesondere der Vorzug einer zeitlich vorgezogenen Sollwertverstellung) ist, dass der Muskel ungeachtet einer beabsichtigten Bewegung bei einer unerwarteten plætzlichen Stærung durch åuûere Kråfte in Augenblicksschnelle die Muskellånge korrigieren kann. 16.3.4 Wenn sich ein Muskel kontrahieren soll, muss sein Antagonist nachgeben und erschlaffen Da der einzelne Muskel nur Zugkråfte, nicht aber Schubkråfte entfalten kann, braucht jeder Flexor als Antagonisten einen Extensor. Abwechselnd werden die Rollen getauscht. In diesem Spiel mit abwechselnd vertauschten Rollen mçssen die Muskelspindeln mitmachen. Wenn also die Spindeln im Agonisten ihren Sollwert auf weitere Verkçrzung einstellen, mçssen die Spindeln im Antagonisten ihren Sollwert auf græûere Långe einstellen. Die nætigen kreuzweise Verschaltungen (hier nicht gezeigt) kænnen zwar ohne groûe Umwege direkt çbers Rçckenmark laufen. Schlieûlich muss aber doch auch das Gehirn Bescheid wissen

und eingreifen kænnen. Entsprechend sind die Schaltplåne nicht einfach.

16.4 Funktionelle Spezialisierung und Energiequelle Verschiedene Einsatzbereiche erfordern unterschiedliche Muskeltypen, die auch unterschiedliche Energiequellen nutzen. 16.4.1 Schnell in der Arbeit, doch rasch erschæpft: die phasische Skelettmuskulatur Die quergestreifte Muskulatur erzeugt rasch groûe Zugkråfte, doch kann sie diese nur kurze Zeit aufrechterhalten. Sie arbeitet phasisch.

!

Rasche Reaktion und rasches Abklingen (Ermçden) wird in der Physiologie oft mit dem Adjektiv phasisch gekennzeichnet. Das Gegenstçck, die Erzeugung einer Dauerspannung, oder allgemein eine anhaltende Leistung, wird mit dem Adjektiv tonisch belegt.

Muskeln, die wir zum Speerwurf, zum Weitsprung oder zum Davonlaufen brauchen, benætigen rasch viel Energie in Form von ATP. Da das instabile und osmotisch wirksame ATP selbst nicht in groûer Menge in der Zelle gespeichert werden kann, braucht die Faser Energiespeicher indirekter Art. Sie hat l

einen Kurzzeitspeicher in Form des Phosphagens Kreatinphosphat

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Kreatin-P + ADP ? Kreatin + ATP

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Kreatinphosphat reicht fçr 10 bis 15 s.

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Die Faser hat einen Langzeitspeicher in Form von Glykogen. Wenn hieraus Glucose freigesetzt wird, sollte sie auch vollståndig oxidiert werden, um alle in der Glucose steckende Energie verfçgbar zu machen. Da nun aber die Blutversorgung im tåtigen Muskel oft unterbrochen ist ± die Gefåûe werden oft zugequetscht ± hat

16.4 Funktionelle Spezialisierung und Energiequelle

der Muskel auch einen internen Sauerstoffspeicher: Myoglobin-O2.

!

Innerhalb der Kategorie der quergestreiften Muskeln unterscheidet man ¹rote Muskelnª mit viel Myoglobin, vielen Mitochondrien, nicht sehr rascher Arbeitsweise aber ausdauernd und ¹weiûe Muskelnª mit wenig Myoglobin, wenigen Mitochondrien, zu rascher Kontraktion befåhigt, aber auch rasch ermçdend. Rote Muskeln sind fçr den Marathonlåufer gut, weiûe fçr den Sprinter. Der relative Anteil dieser Muskeln kann durch Training beeinflusst werden.

Ist der interne Sauerstoffspeicher leer, bleibt nur noch die wenig ergiebige Glykolyse. Es sammelt sich Lactat (Milchsåure) an, das nach und nach çber die Blutbahn der Leber zur weiteren Verwendung zugestellt wird. Viel Lactat fçhrt zu der unter Sportlern berçchtigten Ûbersåuerung (Azidose), die eine Ermçdung des Muskels und damit seine Schonung erzwingt. Muskelkater wird heute nicht mehr auf die Ansåuerung des Muskels durch Milchsåure zurçckgefçhrt. Milchsåure ist in Minuten abgefçhrt und von der Leber entsorgt. Als primåre Ursache gelten heute mikroskopische Traumen: Im Elektronenmikroskop wurden zerstærte Faserstrukturen und zerrissene Z-Scheiben beobachtet. Auch kænnen feine Blutkapillaren reiûen; es kommt zu lokalen Blutungen. Will man wissen, warum es zu den Schmerzen erst 12±24 Stunden spåter kommt, kann man unterschiedliche Erklårungen finden. Plausibel erscheint uns die Vorstellung, dass zur Beseitigung der Schåden das Immunsystem eingeschaltet wird und Muskelkater eine Art Entzçndung ist. Bei Entzçndungen erreichen Alarmsubstanzen wie Histamin, die weitere Lymphozyten an den Ort des Unheils locken, auch Schmerzsensoren, die uns auf den Schaden aufmerksam machen. Herzinfarkt, ein durch lokalen Sauerstoffmangel (Ischåmie) verursachtes Absterben von Muskelfasern, wird u. a. durch den Nachweis einer herzspezifischen Kreatinkinase im Blutplasma diagnostiziert. Dieses Enzym katalysiert in Zeiten kærperlicher Ruhe die Regeneration von Kreatinphosphat, wenn das Herz eine Phase rasender Aktivitåt hinter sich hat. Das Enzym geråt aus den nekrotischen, lecken Herzmuskelfasern ins Blut, wie auch andere Muskelfasern bei starker Beschådigung (z. B. Muskelfaserrisse beim Muskelkater) eine Kreatinkinase auslecken lassen.

Langzeitarbeiter wie der Herzmuskel, die Flugmuskeln von Langzeitfliegern, die Schwimmmuskeln der Langzeitschwimmer, die Atemmuskeln und verschiedene (meistens glatte) Haltemuskeln mçssen so gut mit Sauerstoff versorgt sein, dass sie unablåssig hochwertigen Brennstoff in Form von Fettsåuren vollståndig verbrennen kænnen. Daher dçrfen die Herzkranzgefåûe nie durch Verkalkung (Atherosklerose) oder ein Blutgerinnsel (Herzinfarkt) verstopft sein. 16.4.2 Langsame Dauerarbeiter, wie die ¹tonischeª glatte Muskulatur, werden çber Second-messenger-Systeme oder durch mechanische Dehnung aktiviert Die wenig beachtete glatte Muskulatur, die Magen und Darm durchwalkt und uns in Gestalt der Gebårmuttermuskulatur zur Welt gebracht hat, hat viele cytologische, biochemische und funktionelle Besonderheiten. Glatte Muskelfasern (= Muskelzellen) sind nicht in Sarkomere gegliedert, sondern enthalten ein Netzwerk von Actin- und Myosinfilamenten (Abb. 16.14). Die Kontraktion wird anders gestartet. Bei der glatten Muskulatur kennt man mehrere Auslæsemechanismen, hier nach dem Grad der Autonomie geordnet. 1. Die glatte Muskulatur des Magen-Darm-Traktes, die in eine åuûere Långsmuskulatur und eine innere ringfærmige Muskulatur gegliedert ist und die peristaltischen Kontraktionswellen zum Transport der Nahrung erzeugt (Abb. 4.6), wird im Bereich der Speiseræhre noch konventionell aus der Ferne çber Nervenimpulse gesteuert. Diese treffen çber den Nervus vagus an Synapsen des Typs ¹Varikositåtª (s. Abb. 16.14) ein. So wird im Anschluss an den Schluckvorgang im oberen Úsophagus eine erste peristaltische Kontraktionswelle ausgelæst, die den Nahrungsbolus in den Magen treibt. 2. Im Magen und Darm finden sich zwischen Långs- und Ringmuskulatur besondere, mutmaûlich von Muskelfasern abgeleitete, Schritt-

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

3. Im Bereich der Harnblase ist die glatte Muskulatur weitgehend eigenståndig tåtig. Die zunehmende mechanische Dehnung wie sie die Muskelfasern erleiden, wenn sich die Blase fçllt, bewirkt eine allmåhliche Depolarisation bis unter eine Schwelle, bei der die Fasern autonom myogene Aktionspotentiale erzeugen. Sie erzwingen eine Kontraktion, selbst wenn vielleicht eine zentrale Instanz im Gehirn dies im unpassenden Moment noch zurçckhalten will. Intrazellulår wird die Kontraktion der glatten Muskelfaser ebenso wie die der quergestreiften Faser durch einen Anstieg des intrazellulåren Ca2+ ausgelæst, doch ist nicht ein Troponin der Ca2+-Sensor und -Schalter. Ca2+-bindender Vermittler ist vielmehr Calmodulin, ein lang gestrecktes Molekçl, das sich parallel an die Actinstrånge anlagert. Ca2+-Calmodulin aktiviert eine spezielle Kinase (myosin light chain kinase, MLCK), die das benachbarte Myosin phosphoryliert. Myosin der glatten Muskeln kann nur dann an Actin binden, wenn es zuvor phosphoryliert wurde. Nun gleiten unter ATP-Verbrauch die Myosinkæpfe gemåchlich an den Actinstrången entlang. Die relativ langsame Verkçrzung ist mit lang anhaltender Kontraktionsfåhigkeit korreliert. Die Erschlaffung des glatten Muskels wird bei sinkendem Ca2+ durch Dephosphorylierung von Myosin eingeleitet, katalysiert durch eine Phosphatase.

Abb. 16.14. Glatte Muskelfasern. Im oberen Bildteil Auslæsung der Kontraktion an der Synapse (hier an der glatten Faser nicht motorische Endplatte, sondern Varikositåt genannt). Zur Freisetzung von Calcium-Ionen aus dem ER wird das PISignaltransduktionssystem aktiviert. Es kommt eine Signalkaskade in Gang: IP3 setzt aus dem ER Ca2+ frei. 4 Ca2+ binden an Calmodulin, das seinerseits mit der Myosin-leichte-KetteKinase einen aktiven Komplex bildet, der von ATP Phosphat auf die leichte Kette des Myosins çbertrågt. Damit kann Myosin mit Actin interagieren und am Actin entlang gleitend die Verkçrzung der Muskelzelle bewirken. Unten: çber gap junctions ist eine weitere Mæglichkeit der Auslæsung und Synchronisation von Kontraktionen gegeben

macherzellen, die beim Menschen alle 1,5 bis 2 Stunden fçr jeweils 5 Minuten Kontraktionswellen auslæsen. Allerdings gibt es ja auch das umfangreiche, ortsansåssige enterische Nervensystem ENS (s. Abb. 10.4), und es ist nicht klar, wie dieses mit den Schrittmachern wechselwirkt.

Glatte Muskelfasern haben, je nach ihrem Einsatzbereich, noch weitere physiologisch bedeutsame Besonderheiten. Beispielsweise wird die Kontraktion der Gebårmutter zum Auspressen des Kindes bei der Geburt durch das Hormon Oxytocin der Neurohypophyse und durch lokale ¹Gewebshormoneª wie Prostaglandine eingeleitet (s. Abb. 11.20). Rekorde in Dauerkontraktion halten die Schlieûmuskeln der Muscheln, die tagelang die Schalen unter Verschluss halten kænnen. Bestimmte, spezialisierte Fasern dieser Muskeln verfallen in einen starren Sperrtonus (latch = verriegeln), in dem sie ohne Aufwand von Energie verharren. Es wird vermutet, dass in diesem Muskel die Myosinquerbrçcken mittels kovalenter Bindungen an die Actinstrånge gekoppelt werden. Es gibt indes auch andere Vorstellungen. Beispielsweise soll das Paramyosin dieses Muskels im Zustand der Dauerkontraktion eine kristalline Struktur annehmen.

16.4 Funktionelle Spezialisierung und Energiequelle

16.4.3 Der Flugmuskel der Insekten kann in Rekordfrequenzen bis zu 1500 Hz oszillieren Fçr solche Rekordleistungen, wie sie mit Hochfrequenz-Filmkameras beispielsweise bei kleinen Mçcken registriert wurden, sind die muskulåren Motoren und der gesamte Bewegungsapparat durch mehrere Besonderheiten befåhigt. Wir haben es hier mit einer indirekten Flugmuskulatur zu tun. Auf- und Abschlag der glåsernen Schwingen werden von Muskeln bewerkstelligt, die nicht direkt an den Flçgeln ansetzen, sondern die Chitinhçlle des Thorax in Schwingungen versetzen. Ûber ein Gelenk- und Hebelsystem werden diese Schwingungen auf die Flçgel çbertragen (Abb. 16.15). Durch den Brustraum schråg von oben nach unten und von vorn nach hinten ziehende Muskeln setzen am gewælbten Brustpanzer an. Nun starten wir den Motor. l

Ein nervaler Impuls startet den Agonisten. Alle Fasern werden simultan aktiviert. Die Myosinminimotoren aller Myosinstrånge innerhalb ei-

ner Zelle arbeiten synchron und im Gleichtakt. Aber nur einen kurzen Moment; dann entspannt sich der Muskel wieder. Als Folge der Zuckung wælbt sich der ¹Schnappdeckelª des Brustpanzers (Tergit) erst plætzlich nach oben hoch und springt dann aufgrund seiner Elastizitåt schlagartig in die abgeflachte Stellung zurçck. l

Der nach oben springende Deckel des Tergit zerrt am Antagonisten. Dieser antwortet auf die plætzliche passive Dehnung seinerseits mit einer zuckenden Kontraktion, ohne lange auf nervale Befehle zu warten.

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Der Antagonist zerrt, vermittelt çber den Brustpanzer, wiederum den Agonisten, der seinerseits mit aktiver Zuckung antwortet. So kommt ein munteres Wechselspiel in Gang.

l

Die oszillierenden Muskeln çbertragen auf die elastische Chitinhçlle des Brustkorbs rhythmisch an- und abschwellende mechanische Spannungen. Die elastische Hçlle geråt in Resonanzschwingungen, die sich aufschaukeln und umgekehrt auf die Muskeln rçckwirken. Die Resonanzen verschårfen die Synchronitåt der Einzelzuckungen und beschleunigen das System. Der Schlagzeuger kennt das Phånomen: Geriete die Bespannung der Trommel nicht in Schwingungen, wåre ein hochfrequenter Trommelwirbel nicht so leicht zu erzielen. Zur Perfektion getrieben ist das Wechselspiel durch geschicktes Ausnutzen weiterer physikalischer Prinzipien. Die Sklerite im Bereich der Flçgelgelenke leisten ihrer Verformung durch die Muskeln zunåchst hartnåckig Widerstand, nehmen aber willig potentielle Energie auf. Bei einem kritischen Kulminationspunkt geben die Chitinelemente plætzlich nach (Klickmechanismus). Die Bewegung des Flçgels erfåhrt eine Beschleunigung.

Wåhrend der Maikåfer mittels seines Flugmotors zum Fliegen abhebt und aus unserem Gesichtsfeld verschwindet, machen wir uns einige Augenblicke lang Gedanken çber das Fliegen (Box K 16.1 mit Abb. 16.16). Abb. 16.15. Indirekte Flugmuskulatur bei einem Insekt

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

BOX K 16.1

Wie man fliegt Biomechanik ist ein Gebiet, mit dem wir uns im çblichen Grundstudium nicht beschåftigen mçssen. Aber wir sind doch an manchen Phånomenen sehr interessiert, beispielsweise daran, wie man fliegt. Nun ist aber gerade die Physik des Fliegens sehr kompliziert. Auf Reynoldszahlen und physikalische Formeln lassen wir uns hier nicht ein. Wir betrachten nur in intuitiver Weise, wie ein schlagender Flçgel Auftrieb und Vortrieb erzeugt. Und wir çberlegen, wie bei einem Flçgel Auftrieb und Vortrieb entstehen, wenn der Vogel (oder unser Flugzeugmodell) im Segelflug ruhig durch die Luft gleitet oder der Vogel seine Schwingen auf und ab bewegt. Der gleichfærmige Horizontalflug Ob nun der Vogel mit unbewegten Schwingen am Himmel kreist und sich von Thermik tragen låsst oder in einfærmigen Schlagflug gleichmåûig çber die Sahara zieht, es muss die gleiche Grundbedingung erfçllt sein (Abb. 16.16 a): l

Ein selbsterzeugter Hub muss sein Kærpergewicht kompensieren: H = ±G

l

Eine Vortriebskraft muss den Luftwiderstand kompensieren: V = ±W

Wie sind diese Bedingungen erfçllt? Wir betrachten der Einfachheit halber den Flçgel als starre Tragflåche (Abb. 16.16 b). Der Flugkærper werde horizontal von vorne angestræmt, sei es weil Gegenwind herrscht oder der Flugkærper dank seiner Vorwårtsbewegung einen Fahrtwind erfåhrt. Der Flçgel sei mit einem Anstellwinkel a leicht schråg zur Anstræmrichtung gestellt. Ohne zunåchst eine Antwort zu suchen nach dem Warum, lassen wir uns vom Aerodynamiker sagen, welche Kråfte in dieser Situation auftreten. Entscheidend ist eine Quer- oder Seitkraft FQ, die senkrecht zur Anstræmrichtung bzw. Gleitbahn wirkt. Die zweite Kraft, die von Bedeutung ist, ist der Luftwiderstand W. Der Vektor von W fållt mit der Stræmungsrichtung der

Luft zusammen. Nun wird mittels FQ und W ein Kråfteparallelogramm konstruiert. Als Resultierende ergibt sich eine (zeichnerische) aerodynamische Gesamtluftkraft, die sich in eine vertikale Komponente (¹Auftriebª, ¹Hubª; s. nachfolgende Erlåuterung) und die nach vorn gerichtete Vortriebskomponente zerlegen låsst. Erlåuterung: Fçr den Laien verwirrend sind die verschiedenartigen und z.T. widersprçchlichen Bezeichnungen, mit denen in verschiedenen Schriften die einzelnen Kraftkomponenten bezeichnet werden. In vielen Abhandlungen werden Querkraft und Auftrieb gleichgesetzt (z. B. Nachtigall 1985). Ein so definierter Auftrieb ist also nicht stets senkrecht nach oben gerichtet, sondern kann je nach Anstræmrichtung auch andere Richtungen (z. B. schråg nach vorn-oben) zeigen und sogar negative Werte einnehmen (negativer Auftrieb = Abtrieb). Um speziell die senkrecht nach oben gerichtete Komponente zu benennen, wird in solchen Abhandlungen gern das Wort Hub benutzt. In anderen Abhandlungen wird der Auftrieb mit Hub gleichgesetzt, meint also in Ûbereinstimmung mit dem Wortgebrauch des Laien stets die senkrecht nach oben gerichtete Kraftkomponente. Bei horizontaler Anstræmung von vorne fallen die Vektoren von Hub und Querkraft zusammen. Wir erlauben uns im Weiteren eine solche Vereinfachung.

Entstehung von Auftrieb und Vortrieb am starren Flçgel Man denke sich einen Flçgel im klassischen, asymmetrischen Profil, von vorn angestræmt von einem horizontalen Luftstrom. Der Flçgel sei gegen die Luftstræmung leicht gekippt im Winkel zwischen 5 und maximal 208. Der Flçgel erfåhrt einen Auftrieb, dessen Stårke von der Stræmungsgeschwindigkeit der Luft und dem Anstellwinkel abhångt. Aber warum? Erstaunlich ist, dass es fçr diesen fçr die Physik und Technik so grundlegenden Prozess noch keine allgemein anerkannte, einheitliche Erklårung gibt. Wir diskutieren vier vielbeachtete Erklårungsmodelle, die sich jedoch nicht widersprechen, sondern verschiedene Aspekte in den Vordergrund rçcken und sich ergånzen: "

16.4 Funktionelle Spezialisierung und Energiequelle

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BOX K 16.1 (Fortsetzung)

Das althergebrachte, aber unzulångliche Bernoulli-Modell: Bei gewælbtem Flçgel mit dem in Abb. 16.16 c gezeigten asymmetrischen Profil, und bei horizontaler Anstræmung von vorn, haben die (roten) Luftmolekçle auf der Oberseite einen långeren Weg zurçckzulegen, um die Hinterkante des Flçgels zu erreichen, als die (schwarzen) Molekçle, die der Unterseite entlang gleiten. Nun zwingt niemand die roten und schwarzen Molekçle zur gleichen Zeit an der Hinterkante anzukommen. Auf der Flçgeloberseite entsteht jedoch aufgrund der anfånglichen Laufzeitdifferenz nahe der Hinterkante ein Luftloch (Unterdruck-Loch). Die roten Molekçle stçrzen hinein; sie erfahren eine Beschleunigung. Dies hat zur Folge, dass sich die Kolonne der Molekçle auf der Oberseite auseinander zieht; der Luftdruck auf der Oberseite wird geringer als auf der Flçgelunterseite; es entsteht ein Sog und dadurch ein Auftrieb. Der Physiker Bernoulli wird ins Spiel gebracht mit einem Argument, dem wir im Kreislauf (Kap. 9) begegneten. Nimmt die treibende Kraft in Richtung der Stræmung (dynamischer Stræmungsdruck) zu, muss die senkrecht darauf stehende Druckkomponente (Wanddruck bei Blutgefåûen) abnehmen, damit dem Energieerhaltungssatz Gençge getan ist.

Unzulånglichkeit: Man kann auch mit symmetrischem Profil fliegen, und manche Flugzeuge kænnen sogar auf dem Rçcken fliegen. Sogar ein flacher Papierdrachen erfåhrt einen Auftrieb, wenn er im passenden Winkel zur Anstræmrichtung im Luftstrom steht. Offenbar ist der Anstræmwinkel von besonderer Bedeutung. Impuls durch Luftablenkung Eine schråg im Luftstrom stehende Leitflåche lenkt den Luftstrom nach unten ab (Abb. 16.16 d); der Luftstrom wird dadurch nach unten

beschleunigt. Es entsteht eine entgegengesetzte ¹Rçckstoûkraftª (Weltner 1987) oder ¹Reaktionskraftª (Nachtigall 1985), jedenfalls ein Impuls, der den Flugkærper entgegengesetzt schråg nach oben treibt. Diese Kraft låsst sich in Vortrieb und Auftrieb zerlegen. Warum wird die Luft abgelenkt? Unter der Leitflåche kann sie nicht anders. Auf der Oberseite haftet die angrenzende Luftschicht dank Oberflåchenenergien (Adhåsionskråfte) am Flçgel. Diese Grenzschicht muss dem Flçgel folgen. Damit entsteht zwischen ihr und den weiter entfernten Luftschichten ein Unterdruck, der sich als Sog auf den Flçgel bemerkbar macht und auch weiter entfernte Luftschichten nach unten ablenkt. Antrieb durch Wirbel Neuerdings wird auf die (unterstçtzende) Funktion von regelmåûigen Wirbeln viel Wert gelegt. Hinter dem Flçgel entsteht bei optimalen Anstellwinkeln eine Serie von Ringwirbeln (Wirbelstraûe), die dank ihrer Drehmomente einen Zentralluftstrom nach unten-hinten beschleunigt (Abb. 16.16 e). Man kann diese Wirbelbildung mit der Wirkung eines am Flçgelhinterrand angebrachten, Schub erzeugenden Propellers vergleichen (Nachtigall 1985). Es muss allerdings durch die Wahl eines flachen Anstellwinkels sichergestellt sein, dass Wirbel nicht çber oder unter die Tragflåche geraten. Mathematische Modelle Unbeschadet der noch keineswegs abgeschlossenen physikalischen Interpretation von Auftriebs- und Vortriebserzeugung haben die Techniker mathematische Modelle entwickelt, die sehr brauchbare Berechnungen der fçr die Technik wichtigen Kråfteverteilung und Græûen erlauben. Man operiert mit einer laminaren, den Flçgel umhçllenden Stræmung, die mit einer fiktiven Luftzirkulation um den Flçgel interagiert. Das Basismodell trågt den Namen Kutta-Joukovski-Formel. Mit dem von der Technik entwickelten Formelwerk låsst sich auch die Entstehung von Wirbeln beschreiben.

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

BOX K 16.1 (Fortsetzung)

Der Schlagflug des Vogels Wir kænnen alle Erklårungsmodelle heranziehen, doch ist es vorteilhaft, das Bild abgelenkter, beschleunigter Luftmassen als Grundlage zu nehmen und zu erweitern. Auftrieb: Der Flçgel schlågt nach unten; die Luftmolekçle unter dem Flçgel werden auf einen engeren Raum zusammengeschoben; der Luftdruck unter dem Flçgel steigt. Ûber dem Flçgel wird fçr die Luftmolekçle mehr Freiraum geschaffen; Luftverdçnnung bedeutet gegençber dem Luftdruck in der Umgebung Unterdruck = Sog. Der Druckunterschied zwischen Flçgelunterseite und -oberseite erzeugt einen Auftrieb. Auftrieb + Vortrieb: Der Schlag wird nicht senkrecht nach unten gefçhrt, sondern in einem Bogen, und der Anstellwinkel des Flçgels gegen die Luftstræmung wird so verkippt, dass die beschleunigten Luftmassen schråg nach hintenunten geschleudert werden. Wirbel beschleunigen den Luftstrahl weiter. Es entsteht eine Reaktionskraft (Rçckstoû) nach vorn-oben, die Auftrieb und Vortrieb erzeugt. Der Auftrieb sollte im Mindestfall das Gewicht des Vogelkærpers (Erdanziehung, Gravitation) kompensieren. Ûbertrifft der Auftrieb den gewichtsbedingten Abtrieb, wird der Vogel hochgehoben (Hub). Der Vortrieb muss den Luftwiderstand çbertreffen, wenn der Vogel vorankommen will (Schub). Beim Aufschlag wird der Flçgel auf seine Ausgangsposition zurçckgefçhrt. Notgedrungen entstehen Abtrieb und Rçcktrieb ± theoretisch. Nun helfen einige Tricks, beim Aufschlag den Verlust an Hæhe und Vortrieb geringer zu halten als der zuvor beim Abschlag erzielte Gewinn.

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Der Flçgel wird in der Horizontalen im Handgelenk nach hinten abgewinkelt, die Flçgelflåche dadurch verringert. Auch werden die langen Schwungfedern gespreizt und die Schwungfedern kippen nach unten. Insgesamt wird der Widerstand verringert; es wird nicht viel Luft nach oben geschaufelt (Abb. 16.16 f); der Abtrieb wird minimiert. Trågheitskråfte halten den Vogel noch immer im Horizontalflug. Nun wird der Anstellwinkel des Flçgels gegen die Luftstræmung so verkippt, dass beim Aufschlag Luft auch nach unten abgelenkt wird (Abb. 16.16 g). Bei guten Fliegern wird sogar beim Aufschlag noch ein kleiner Gewinn an Auftrieb und Vortrieb erzielt.

Segelflug Im Sink-Gleitflug der Groûvægel ersetzt das Absinken den Wind von vorn und den Flçgelabschlag; denn beim Abwårtsgleiten stræmt Luft auf den Flçgel zu (relative Luftbewegung). Sie wird vom Flçgel schråg nach unten abgelenkt. Thermik, also nach oben gerichtete Luftstræmung, kann das Absinken kompensieren oder gar çberkompensieren, da sie Druck von unten erzeugt. Der Greifvogel zieht çber lange Minuten Kreise am Himmel, ohne Energie fçrs Flçgelschlagen aufbringen zu mçssen. Gençgend schnelle und anhaltende Anstræmung von schråg unten durch den Stauwind groûer Meereswellen ermæglicht dem Albatros langes Fliegen çber Hunderte von Kilometern und viele Stunden; denn das Absinken im Gleitflug wird kompensiert durch Schub von unten.

16.4 Funktionelle Spezialisierung und Energiequelle

Abb. 16.16 a±e. Mechanismen des Vogelflugs. a Richtung der im Schwerpunkt des Vogels angreifenden Kråfte beim gleichfærmigen Horizontalflug; b Kråfteparallelogramm fçr Auftrieb, Vortrieb, Hub und Widerstand im horizontalen Gleitflug; c stræmungsbedingter Sog im horizontalen Gleitflug gemåû althergebrachter Auffassung (abgeleitet vom Bernoulli-

Gesetz); d Ablenkung der Luftstræmung durch den Flçgel bei geringem Anstellwinkel; e Kråfteverteilung und Wirbelbildung als Folge der Ablenkung der Luftstræmung; f Luftmassenbeschleunigung durch den schlagenden Flçgel. In der Gegenrichtung entwickelt sich Auftrieb. g Periodische Verstellung des Anstræmwinkels beim schlagenden Flçgel

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

Abb. 16.16 f, g. Flug 2

16.5 Das Herz: sein Schrittmacher und sein EKG

16.5 Das Herz: sein Schrittmacher und sein EKG 16.5.1 Herzen lassen sich von neurogenen oder myogenen Schrittmachern den Takt geben Nicht nur als Herzpatient, sondern schon von Natur aus sind wir mit einem Herzschrittmacher ausgestattet. Der Zoologe weist darauf hin, dass es in der Natur zwei Kategorien von Herzschrittmachern gibt: l

Neurogene Herzen werden von neuronalen Schrittmachern zum rhythmischen Schlagen veranlasst. Dies trifft beispielsweise auf die schlauchfærmigen Herzen der Arthropoden zu.

l

Myogene Herzen haben ihren eigenen Herzschrittmacher entwickelt. Myogen heiût: ¹von Muskeln erzeugtª. Es sind spezialisierte Muskelzellen, die zu Oszillatoren geworden sind und autonom in rhythmischer Folge elektrische Impulse nach Art von Aktionspotentialen erzeugen. Unser Herz gehært in diese Gruppe wie das Herz aller Wirbeltiere. 16.5.2 Der myogene Herzmuskel des Wirbeltiers ist autonom und dank elektrischer Synapsen eine funktionelle Einheit

Der Herzmuskel braucht nicht çber nervale Befehle zur Kontraktion bewegt zu werden. Er ist von sich aus arbeitswillig und rhythmisch tåtig. Zwar gibt es nervale Zuleitungen, sympathische und parasympathische Terminals. Doch diese greifen nur modifizierend ein, indem sie den Herzschrittmacher oder die Leitfåhigkeit der elektrischen Ûbertragungsstrecke beeinflussen. Die einzelne Faser des Herzmuskels selbst ist nicht innerviert. Jede Zelle hat einen eigenen, autonomen Rhythmusgenerator. Man kann embryonale Herzzellen voneinander isolieren und in Zellkultur halten. Sie pulsieren autonom weiter, wenn auch in langsamerem Rhythmus als im Gesamtverband eines Herzens.

Auch wenn die Zellen eines Herzens genetisch einen Klon darstellen und ein Herz und eine Seele sind, muss doch fçr eine Koordination der individuellen Aktivitåten gesorgt werden. Damit sich die Millionen (quergestreiften aber einkernigen Fasern) des Herzens jederzeit koordiniert verhalten, sind synchronisierende Signale nætig. Diese Signale sind (relativ langsame) Aktionspotentiale, die kurz vor jeder Systole (Herzkontraktion) sich çber gap junctions von Zelle zu Zelle ausbreiten. 16.5.3 Quelle der synchronisierenden Signale sind myogene Herzschrittmacher; sie sorgen fçr eine zweckmåûige Kontraktionsfolge Es gibt zwei Herzschrittmacher (Abb. 16.17). Beide bestehen aus einer Ansammlung von Muskelzellen, die arm an Myofibrillen sind und ihre ganze Energie darauf konzentrieren, in regelmåûiger Folge Aktionspotentiale zu feuern. l

Der Sinusknoten ist der primåre Herzschrittmacher. Er sitzt dort, wo die groûen Hohlvenen in den Vorhof des rechten Herzens mçnden und aktiviert die Vorhofmuskulatur.

l

Der AV-Knoten (Atrioventrikularknoten) ist zweite Instanz. Er sitzt an der Grenze zwischen

Abb. 16.17. Natçrliche Herzschrittmacher

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

rechter Vorkammer (Atrium) und Hauptkammer (Ventrikel). Warum zwei Schrittmacher? Es geht nicht bloû darum, die Systole des Herzens auszulæsen, sondern auch darum, eine zweckmåûige Kontraktionsfolge zu gewåhrleisten. Vorkammer und Hauptkammer sollen sich nicht zu gleicher Zeit, sondern nacheinander zusammenziehen. Daher sind sie voneinander elektrisch isoliert. Die vom Sinusknoten ausstrahlenden elektrischen Impulse breiten sich nur in der Vorhofmuskulatur aus und bringen sie zur synchronen Kontraktion. Dann çbernimmt der AV-Knoten, vom Sinusknoten dazu aufgefordert, das Kommando und liefert das Startsignal fçr die Ventrikelkontraktion. Der Ventrikel soll nun das Blut von der Herzspitze nach oben Richtung Ausgånge pressen. Deswegen sollte die Kontraktion an der Herzspitze beginnen und zur Herzbasis am oberen Ventrikelende fortschreiten. Damit dies gewåhrleistet ist, schickt der AV-Knoten seine elektrischen Signale erst çber die schnellen Fernleitungen des His'schen Bçndels (die Endstrecken heiûen Purkinje-Fasern) zur Herzspitze und çbergibt sie dort erst der Muskulatur.

16.5.5 Das EKG spiegelt die Signalausbreitung im Herzen wider. Warum ist das EKG aber auf der Kærperoberflåche abgreifbar? Warum kann der Arzt die elektrische Aktivitåt des Herzens messen, wenn er Elektroden auf die Haut legt und mit empfindlichen Oszillographen (Voltmetern!) elektrische Spannungen von der Haut abgreift? Pflanzen sich die Aktionspotentiale des Herzens bis zur Hautoberflåche fort? Gewiss nicht direkt. Es gibt kein durchgehendes System von ¹gap junctionsª, das die vom Schrittmacher ausgehenden Impulse zur verhornten Auûenhaut leiten kænnte. Box K 16.2 und Abb. 16.18 fçhren in die basale Physik des EKG ein. Hier sei zusammenfassend vermerkt: das EKG spiegelt die Ausbreitung der weitgehend synchronen Aktionspotentiale im Herzen wider. Es ist ein auf und ab schwankendes

16.5.4 Die den Aktionspotentialen folgende lange Refraktårzeit verhindert normalerweise Herzflimmern Aktionspotentiale im Herzen dauern lange (ca. 400 ms, im Axon einer Nervenzelle nur 2 ms) und sie werden von einer entsprechend langen Refraktårperiode gefolgt. Dies hat zur Folge, dass keine weitere Signalwelle çber den Herzmuskel laufen kann bevor der Muskel wieder voll expandiert ist. Der Arzt registriert beim gesunden Herzen klar voneinander getrennte Folgen von Systole, Diastole, Systole usf. Ein gesundes Herz kommt nicht ins Stolpern. Abb. 16.18. Elektrisches Feld, das vom schlagenden Herzen ausgeht. Herausgegriffener Moment. Rote Linien: Feldlinien. Schwarze Linien: Øquipotential-(Isopotential-)Linien

16.5 Das Herz: sein Schrittmacher und sein EKG

BOX K 16.2

Das EKG Wir betrachten das Herz in einem gçnstigen Moment, in dem die elektrischen Ladungen auf der Herzoberflåche ein einfaches Muster bilden. Die Signale des AV-Knotens seien soeben an der Herzspitze angekommen. Eine Muskelfaser çbernimmt das Aktionspotential. Mit dem Gipfel des Aktionspotentials låuft eine Negativitåtswelle (nåhere Erklårung s. Kap. 14) çber die Faser. Aber nicht nur çber diese einzelne Faser, sondern, wegen der elektrischen Koppelung der Fasern, parallel und synchron auch çber ihre Nachbarn. Im betrachteten Moment ist also die Herzoberflåche um den Sçdpol des Herzens, der Herzspitze, negativ geladen, wåhrend an der nærdlichen Herzbasis die positive Ladung des Ruhepotentials dominiert. Das Herz ist in diesem Moment ein elektrischer Dipol vergleichbar einer Stabbatterie. Ein Dipol ist von einem elektrischen Feld eingehçllt, çblicherweise dargestellt durch Feldlinien, die vom Pluspol zum Minuspol verlaufen (s. Abb. 16.18). Senkrecht zu den Feldlinien zeichnen wir Isopotentiallinien (synonym: Øquipotentiallinien) ein. Zwischen allen Punkten auf einer solchen Linie herrscht gleiches (iso) Potential; es gibt also keine Potentialdifferenz entlang einer solchen Linie. Anders aber, wenn wir zwei (beliebige) Punkte wåhlen, die auf zwei verschiedenen Isopotentiallinien liegen. Zwischen ihnen gibt es eine Potentialdifferenz, also eine elektrische Spannung. Umfåhrt man mit den Sonden eines çblichen Voltmeters eine Stabbatterie, misst man zu seiner Enttåuschung erst mal nichts (nur hæchst empfindliche Spezialvoltmeter wçrden reagieren). Um den Zeiger meines trågen Instruments zu bewegen, mçssten die Potentialdifferenzen des Feldes ein kleines Quåntchen Strom durch das Messgeråt treiben kænnen. Die Luft ist jedoch ein Isolator. Lege man die Batterien in die wassergefçllte Badewanne, kann man mit dem Voltmeter in der Tat im Umfeld der Batterie geringe Spannungen messen. (Nicht zuviel Badesalz zugeben, sonst flieût zuviel Strom vom Pluspol zum Minuspol der Batterie und die Batterie ist leer, bevor man misst.)

Unser Herz sei eine Batterie, unser Kærper ein wassergefçllter Sack, dessen Wand poræs genug ist, um feucht zu sein und ein Quåntchen Strom zu leiten. Mit Sonden kann man auf der Auûenflåche Spannungen messen. Nun lassen wir das angehaltene Herz weiter schlagen. Das Herz benimmt sich wie ein schwingender Dipol, dessen Polaritåt laufend wechselt. Da das Herz schief hångt und unruhig ist, und unser Kærper auch nicht bloû ein uniform leitender runder Wassersack, ist freilich das messbare Spannungsmuster arg verzerrt. Das nach bestimmten Konventionen abgeleitete EKG (s. Abb. 16.19) ist nur nach guter Schulung deutbar. Eine vereinfachte Interpretation nimmt an, dass eine Erregungswelle, die in Richtung Herzspitze låuft, in der EKG-Aufzeichnung als positive Auslenkung aufgezeichnet wird. Im Weiteren ergibt sich daraus folgende Interpretation: l

P-Welle: Die Erregung låuft vom Sinusknoten çber die Vorhæfe Richtung AV-Knoten.

l

QRS-Komplex: Die Erregung låuft zunåchst durch das His-Bçndel Richtung Herzspitze (R-Zacke), dreht dann kurzzeitig die Richtung und erregt die Muskelzellen ausgehend von der Herzspitze in Richtung der Vorhæfe (S-Zacke).

l

T-Welle: Jetzt kommt es zur Erregungsrçckbildung, zur Repolarisation der Herzzellen. Die Repolarisationswelle låuft von der Herzspitze, wo ja die Zellen zuerst kontrahiert haben, Richtung Vorhof. Obwohl die Repolarisation ein der Erregung (= Depolarisation) entgegengesetzes Vorzeichen hat, zeigt das EKG auch bei der T-Welle einen Ausschlag nach oben. Der Grund: nicht nur die elektrische Polaritåt, auch die Laufrichtung der Erregungsrçckbildung ist der Erregungswelle entgegengesetzt. Es ergibt sich ein doppelter Polaritåtswechsel.

Wichtig ist zu bedenken, dass das EKG nur die elektrischen Erregungsvorgånge im Herzen, nicht aber dessen Kontraktion darstellt. Die Kontraktion der Ventrikel fållt in etwa mit der T-Welle zusammen. Die Zeit zwischen Erregung (S-Zacke) und Kontraktion wird fçr die elektromechanische Kopplung benætigt (Kap. 16.1.5).

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

Abb. 16.19. Elektrokardiogramm EKG. Ausbreitung der ¹Negativitåtswellenª (Erregung). (Nach Thews u. Vaupel 1995)

Summenpotential, das kurz vor einer Systole registriert wird. Die Zacken auf dem Registrierstreifen werden in alphabetischer Folge P-Q-R-S-T benannt (Abb. 16.19). Dass die elektrischen Spannungsschwankungen des Herzmuskels auf der Hautoberflåche registriert werden kænnen, ist der schieren Physik zu verdanken und ohne physiologische Bedeutung. Fçr den Arzt indes ist das EKG Quelle diagnostischer Erkenntnisse.

Was jedoch dem Kardiologen recht ist, ist dem Grundhai billig. Der gleitet çber den sandigen Untergrund, um das EKG der im Sand verborgenen Schollen aufzuspçren. Sein Interesse ist indessen nicht auf Therapie, sondern auf Fressen ausgerichtet (s. Abb. 21.1).

16.6 Die elektrischen Organe der elektrischen Fische

16.6 Die elektrischen Organe der elektrischen Fische 16.6.1 Die elektrischen Organe sind modifizierte Muskelzellen Manch einer wird sich gefragt haben, warum in diesem Buch Muskeln und elektrische Organe im gleichen Kapitel behandelt werden. Hier die Antwort: die elektrischen Organe sind modifizierte Muskelzellen. Diese im Rumpf und Schwanz zu einem elektrischen Organ gebçndelten Zellen (Abb. 16.20) haben ihren kontraktilen Apparat eingebçût und sind zu flachen Scheiben abgeplattet. Sie heiûen Elektroplaxe oder Elektroplatten. Die Platten sind einseitig durch neuromuskulåre Endplatten innerviert. Kommt es çber nervale Impulse zur Aktivierung einer Platte, entsteht ein flåchenhaftes Aktionspotential, wobei auf der ganzen innervierten Flåche gleichzeitig Natrium-Kanåle aufspringen. Entsprechend wird auf der ganzen Flåche die Auûenseite der Zellmembran in der selben tausendstel Sekunde negativ. Die Gegenseite der Zelle jedoch verharrt im Zustand des Ruhepotentials und zeigt eine positive Auûenseite. Wir haben also im Moment der Entladung einen echten Dipol oder, mit anderen Worten, fçr den Bruchteil einer Sekunde eine echte Batterie mit einem flåchenhaften Minuspol und einem flåchenhaften Pluspol. Da die Batterie in einem leitenden Medium liegt, kænnen sich Feld- und Spannungslinien (s. Box K 16.2) zur Kærperoberflåche und darçber hinaus im umgebenden Wasser ausbreiten. Es ist jedoch nur ein kurzer Moment, in dem die Elektroplatte beidseitig unterschiedlich gepolt ist. Deshalb schieût aus dem Fisch nur ein pulsfærmiges Feld heraus. Es ist so, als wçrde man die zwei Enden eines Elektrokabels fçr einen kurzen Moment ins Wasser stecken.

Abb. 16.20. Elektrische Organe eines Zitterrochens. Elektroplaxe, die Einzelelemente des elektrischen Organs, sind aus Muskelzellen hervorgegangen

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

16.6.2 Ûber Serien- und Parallelschaltung kann man hohe Volt- und Amperewerte erzielen Ein einzelner Elektroplax mag im Moment seiner Entladung 90 mV Spannung hergeben; der damit getriebene elektrische Strom hat eine Stårke im Bereich von nA bis lA. Damit kann man niemanden beeindrucken. Eine kleine handelsçbliche Stabbatterie hat bei 1,5 V ein çber tausendfach hæheres Leistungsvermægen. Aber man kann Batterien in Serie schalten (d. h. Batterien aufeinandertçrmen: Plus-Minus + Plus-Minus + Plus-Minus, etc.), um damit die Voltzahlen zu addieren. Oder man kann die Batterien parallel schalten (die Pluspole mehrerer Batterien mit einem Leiter zusammenfassen und die Minuspole mit einem zweiten Leiter), um die Stromkapazitåten zu addieren. So machen es auch die elektrischen Fische (Abb. 16.20). Die stark elektrischen Fische stapeln und bçndeln mehr Platten, die Schwachelektriker weniger.

16.6.3 Stark elektrische Fische erzeugen Elektroschocks, schwach elektrische Fische sind Signalsender Die stark elektrischen Fische des Sçûwassers, Zitteraal (Amazonas) und Zitterwels (afrikanische Seen) erzeugen hohe Voltzahlen; bis zu 900 Volt beim Zitteraal (Warum wohl ¹Zitter-ª? Wer's nicht weiû, fasse einen ¹Zitterªfisch an!) So hohe Voltzahlen sind im Meerwasser wegen seiner hohen Leitfåhigkeit kaum mæglich. Im Meerwasser kann man aber schon mit relativ geringen Spannungen hohe Stromstårken durchs Wasser jagen. Entsprechend erzeugt der Zitterrochen hohe Stromstårken. In beiden Fållen ergeben sich hohe Produkte VA = Watt. Die hæchst unangenehmen Kraftprotze unter den elektrischen Fischen kænnen ihre Beute durch Elektroschock låhmen oder einen Angreifer in die Flucht schlagen. Die schwach elektrischen Fische, wie z. B. der kleine und gånzlich ungefåhrliche Nilhecht (kein Verwandter unseres Hechts und kein zubeiûender Råuber), feuern hochfrequente Salven elektrischer Impulse. Es sind Signale, die diese im trçben Sçûwasser lebenden Fische zur Kommunikation oder zur Orientierung aussenden. Die Funktion der Orientierungspulse erkunden wir in der Sinnesphysiologie (s. Kap. 21).

16.6 Die elektrischen Organe der elektrischen Fische

Zusammenfassung des Kapitels 16 Die Kontraktion eines typischen Muskels beruht auf der aktiven Verkçrzung der 1±150 mm langen Muskelfasern; dies sind langgestreckte vielkernige Syncytien, die im Mikroskop dank der periodischen Gliederung ihrer kontraktilen Strukturen ¹quergestreiftª erscheinen. Die Faser ist in eine Serie sich wiederholender Module (Sarkomeren) gegliedert, die jeweils einen Satz von Actin- und Myosinfilamenten enthalten und in ihrer Gesamtheit als ¹Myofibrillenª bezeichnet werden. In jedem Modul ragen von beiden Grenzflåchen (Z-Scheiben) Actinståbe mit ihrem Minusende in den Binnenraum und umgeben zentral gelagerte, bipolare Myosinståbe. Die Verkçrzung beruht auf dem teleskopartigen Gleiten der Actinståbe çber die Myosinståbe zur Modulmitte hin. Diese Bewegung wird bewerkstelligt von seitlich aus dem Myosinstab herausragenden Hebelarmen (Querbrçcken) mit ¹Myosindoppelkæpfenª an ihrem Ende. Diese Hebelarme wirken als molekulare Motoren, die sich unter ATP-Verbrauch ruderartig hin und her bewegen, dabei bei jedem Ruderschlag einen benachbarten Actinstab erfassen und Richtung Modulmitte ziehen. Ausgelæst wird eine Serie solcher Ruderschlåge durch Ca2+-Ionen, die çber zwei Sorten von Ca2+-Kanålen den kontraktilen Apparat erreichen. (1) Aktionspotentiale, die çber die Muskelfasern laufen und durch blind endende T-Kanåle in die Tiefe der Faser geleitet werden, æffnen spannungsgesteuerte Ca2+-Kanåle des DHP-Typs, die Ca2+ von Auûen ins Zellinnere schleusen. Ihre Úffnung bewirkt die Úffnung von (2) Ca2+-Kanålen des Ryanodintyps, die Ca2+-Ionen aus dem endoplasmatischen Reticulum ins Cytosol entlassen. Der Ca2+-Pegel im Cytosol schnellt von 10±7 auf 10±5 mol/l. Indem Ca2+-Ionen Schalterproteine, welche die Actinfilamente begleiten (Troponine, Tropomyosin), sterisch veråndern, machen sie an den Actinstrången Bindungsstellen fçr die

Myosinmotoren frei. Zur Beendigung einer Kontraktion wird Ca2+ extrem rasch ins ER zurçck gepumpt. Eine langanhaltende Serie hochfrequenter Aktionspotentiale bewirkt einen langdauernd hohen Calcium-Pegel im Cytosol und damit eine ¹tetanischeª Dauerkontraktion. Die Aktionspotentiale der Muskelfasern werden ihrerseits durch motorische Nervenfasern an neuromuskulåren Synapsen ausgelæst, wobei der Transmitter Acetylcholin (ACh) direkt Kationenkanåle der postsynaptischen Membran æffnet und so die Aktionspotentiale der Muskelfasern auslæst. Um eine koordinierte Bewegung programmieren zu kænnen, muss das ZNS çber den momentanen Dehnungszustand jedes einzelnen Muskels Bescheid wissen. Dazu dienen Dehnungssensoren, Golgi-Sehnenorgane, die Zugkråfte messen, und vor allem die ca. 1 mm langen Muskelspindeln, die in græûerer Zahl in die Skelettmuskulatur eingebettet sind. Sie werden auch als Messfçhler eingesetzt, um plætzliche, passiv aufgezwungene Dehnungen rçckgångig zu machen. Die Meldung der Sensoren wird motorischen Rçckenmarksneuronen zugeleitet, die eine kompensatorische Kontraktion veranlassen (¹Eigenreflexª, z. B. Patellarreflex). Bei gewollter Bewegung muss der Sollwert des Regelkreises veråndert und zugleich der des Antagonisten in Gegenrichtung verstellt werden. Unter funktionellen Aspekten werden die quergestreiften Muskelfasern in rote Fasern mit viel Myoglobin-O2 und weiûe Fasern mit nur geringem O2-Vorrat eingeteilt. Weiûe Fasern zucken rasch und ermçden rasch, rote sind langsamer aber ausdauernder. Glatte, einkernige Muskelfasern, die Hohlorgane wie Magen-Darm-Trakt, Harnblase und Uterus umhçllen, werden entweder durch passive Dehnung oder çber metabotrope cholinerge Synapsen, bei denen eine Signaltransduktionskaskade zwischen ACh-Rezeptor und Reaktion zwischengeschaltet ist, zu zwar lang-

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16 Muskelmotoren, EKG und elektrische Organe

samen, aber kaum ermçdenden Kontraktionen veranlasst. Glatte Muskelzellen enthalten Actinund Myosinstrånge nicht exakt parallel, sondern netzartig angeordnet. Die zwar ebenfalls einkernigen, doch quergestreiften Fasern des Herzmuskels der Wirbeltiere sind in der Lage, in regelmåûigem Rhythmus autonom Aktionspotentiale zu erzeugen. Die einzelnen Fasern sind çber gap junctions direkt leitend miteinander verbunden, was eine koordinierte Ausbreitung von elektrischen Impulsen und in deren Gefolge von Kontraktionswellen ermæglicht. Koordiniert werden die Aktionspotentiale durch die fçhrende Aktivitåt der zwei aus modifizierten Muskelfasern bestehenden Herzschrittmachern, dem Sinusknoten und dem AV-Knoten. Die von diesen Schritt-

machern ausgehenden, çber den Herzmuskel laufenden Wellen von Aktionspotentialen erzeugen ein elektrisches Feld mit wechselnder Polaritåt, das an der Kærperoberflåche mit Voltmetern als EKG (Elektrokardiogramm) abgegriffen werden kann. Weitere Erlåuterungen hierzu gibt Box K 16.2. Elektrische Fische nutzen die elektrischen Felder, die von Paketen modifizierter Muskelzellen (Elektroplaxe) erzeugt werden, zur Abwehr von Feinden und Låhmung von Opfern (stark-elektrische Fische) oder als eine Art elektrisches Radar zur Erkundung der Umgebung (schwach-elektrische Fische). Box K16.1 gibt fçr Interessierte eine erste Einfçhrung in die Physik des Fliegens, bezogen vor allem auf den Vogelflug.

17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung Unter Einbeziehung der Hautsinne

17.1 Von der Physik bis zur Psyche: Reiz, Erregung, Wahrnehmung 17.1.1 Die Innenwelt eines Anderen, ob Mensch oder Tier, ist uns nicht zugånglich Mit der Sinnesphysiologie geraten wir in eine Sphåre, die nicht nur aufregend ist dank der erstaunlichen Leistungen menschlicher und tierischer Sinne, sondern auch dank des viel diskutierten, vielleicht nie læsbaren Råtsels, wie denn unsere subjektive, mentale Erlebniswelt entsteht. Wir treten ein in den Grenzbereich von ¹Leib und Seeleª. Seele ist ein Begriff, der nicht leicht dingfest zu machen und durch religiæse Vorstellungen çberformt ist. Seele im Sinne von Psyche (griechisch: psyche = Seele) ist ein Summenbegriff, der Empfindungs- und Wahrnehmungsvermægen, Vorstellungsvermægen, Bewusstsein, Antrieb und Wille umfasst. Er bezeichnet eine mentale Innenwelt, die nur subjektiv erfahrbar ± nichtsdestoweniger sehr real ± ist. Im Englischen wird das Wort mind gebraucht, wåhrend soul in der Regel die Seele der Religion meint.

Der Sinnesphysiologe als Naturforscher konzentriert sich zunåchst auf das, was ihm der Anatom vorzeigen kann und was ihm messtechnisch zugånglich ist. Aber natçrlich ist auch der Physiologe ein Mensch und will wissen, weshalb er was erlebt, was ihn so reizt, dass er ROT sieht, oder was seinem Zahnschmerz zugrunde liegt. Der Physiologe kann elektrische Antworten eines Rezeptors messen. Er sieht es den Rezeptorpotentialen jedoch nicht an, welche Empfindungen sie hervorrufen und ob die Aktivitåten des Rezeptors çberhaupt mit Empfindungen korreliert sind. Er kann im Verlauf der weiteren Signalstrecke (Abb. 17.1) bis in die feinsten Veråstelungen der Signalbahnen im Gehirn Aktionspotentiale registrieren, Transmitter analysieren, er mag die ganze Biochemie innerhalb der Zellen und die Interaktionen der beteiligten Sinnes- und Nervenzellen untereinander aufklåren; er findet jedoch keine substantielle Empfindung ROT und keine Empfindung ZAHNSCHMERZ, die er dem

Abb. 17.1. Codierung und Ûbertragung von Information im Sinnes-Nervensystem. Begriffe

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

Blinden oder dem Zahnarzt çbergeben kænnte so, dass der Blinde oder der Zahnarzt nun selbst dieselben Erlebnisse håtten. Und selbst wenn der Forscher mit Elektroden, sagen wir auf der Haut, bei einem Probanden (Fachausdruck fçr menschliches Versuchskaninchen) und bei sich selbst spçrbare Empfindungen auslæst, werden beide nie erfahren, ob sie wirklich die gleiche Empfindung haben. Der Tierphysiologe gibt sich noch restriktiver als der Humanphysiologe. Er weiû, dass ihm die Innenwelt eines Tieres nicht zugånglich ist und tut so, als håtte er es mit einem technischen Roboter zu tun, der mit physikalischen Sensoren ausgestattet ist. Gewiss, kein Physiologe zweifelt, dass ein Primat und ein Hund eine Innenwelt hat, in der sich Erlebnisse abspielen, die seinen eigenen irgendwie åhnlich sind. Der Forscher wird (hoffentlich) entsprechend einfçhlsam und human zu Werke gehen. Aber wie ist dieses mutmaûliche Erleben nun wirklich? Und was erlebt ein ganz anders strukturiertes ¹niederesª Tier? Wer weiû denn schon, ob eine Biene in einer inneren, subjektiven Erlebniswelt ¹siehtª, ¹Empfindungenª hat, ¹wahrnimmtª, ob sie ¹leidetª oder ¹Glçckª kennt? Vielleicht reagiert die Biene auch gånzlich empfindungslos und unbewusst wie ein Marschflugkærper, der mit Sensoren ausgestattet ist und selbsttåtig ein Ziel ansteuert. Haben wir erst einmal einige elementare Erkenntnisse der Physiologie gewonnen, wissen wir, dass solche Gedanken keineswegs abwegig sind. Auch vieles, was in unserem eigenen Sinnes-Nerven-System geschieht, ist mit keinerlei Empfindung und keinerlei bewusstem Erleben verknçpft. Im Augenblick weiû niemand, welche Bedingungen erfçllt sein mçssen, damit subjektives Erleben entstehen kann. Wir wissen andererseits, dass das innere Erleben von externer Information ausgelæst werden kann und sich die physiologische Arbeitsweise unserer Sinnesorgane im Erleben widerspiegelt.

17.1.2 Sinnesmodalitåten und Sinnesqualitåten sind Empfindungsformen; aber keineswegs alle Sinnesorgane vermitteln eine Empfindung Wieviele Sinne gibt es? Die TV-Sendung ¹Der 7. Sinnª geht wohl von der verbreiteten Vorstellung aus, es gåbe sechs normale Sinne und appelliert an einen siebten, ¹instinktiven Sinnª, der durch die Sendung aktiviert und bewusst gemacht werden soll. Andererseits heiût es, dass man ¹seine fçnf Sinne beisammen haltenª soll, d. h. dass man mit all seinen Sinnen aufmerksam sein soll. Wieviel Sinne hat also der Mensch nach traditioneller Auffassung? l

Sehen (¹Gesichtª)

l

Fçhlen (¹Gefçhlª, ¹Getastª)

l

Hæren (¹Gehærª)

l

Schmecken (¹Geschmackª in der alten Zweitbedeutung des Wortes)

l

Riechen (¹Geruchª, in der alten Zweitbedeutung des Wortes).

Man spricht von fçnf (oder mehr?) Sinnesmodalitåten. Sehen ist eine andere Modalitåt des Erlebens als Hæren. Innerhalb dieser Modalitåten unterscheidet die Humanphysiologie gemeinsam mit der Wahrnehmungspsychologie verschiedene Sinnesqualitåten. Innerhalb der Erlebniswelt des Sehens ist ROT eine andere Qualitåt als BLAU. Innerhalb der Modalitåt Hæren ist ein tiefer Ton eine andere Qualitåt als ein hoher Ton. Diese Einteilungsprinzipien lassen sich nicht allzuschwer nachvollziehen. Aber was ist denn mit Wårme-, Kålte-, Schmerzempfindung? Was ist mit Hunger und Durst? Gibt es einen speziellen Berçhrungssinn, der sich vom Drucksinn unterscheidet? Gibt es einen Vibrationssinn? Was sind Dreh-, Kraft- und Schwereempfindung? Gibt es einen Sinn fçr die Lage des Kærpers (horizontal versus vertikal) oder die Stellung seiner Glieder (abgewinkelt versus gestreckt)? Offenbar gibt es Wahrnehmungen, die relativ klar definierbar sind, aber auch Wahrneh-

17.1 Von der Physik bis zur Psyche: Reiz, Erregung, Wahrnehmung

mungen, die sich in undeutlichen Allgemeinempfindungen verlieren. Der Sinnesphysiologe kennt darçber hinaus viele Enterorezeptoren, die dem ZNS Zustånde im Kærperinneren mitteilen, ohne irgendwelche Empfindungen auszulæsen. Fçr den Menschen gilt die Faustregel: l

l

l

l

Exterorezeptoren, die Information aus der Umwelt aufnehmen, vermitteln mehr oder weniger deutliche Empfindungen. Je informationsreicher Sinne sind, desto deutlicher die empfundene und wahrgenommene Erlebniswelt. Enterorezeptoren (Interorezeptoren, Endorezeptoren, enteroreceptive senses), die Information im Kærperinneren sammeln, vermitteln keine Empfindungen. Solche Enterorezeptoren sind beispielsweise die Blutdruckmesser und die Fçhler fçr den pO2 und den pCO2 des Blutes. Eine weitere Gruppe von Rezeptoren, die man in der Regel den Enterorezeptoren zuordnet, sind die Propriorezeptoren. Sie vermelden, ob und wie stark unsere Muskeln gespannt und unsere Glieder angewinkelt sind. Da auch åuûere Kråfte auf diese Rezeptoren wirken, nehmen sie eine Mittelstellung zwischen Enterorezeptoren und den Exterorezeptoren ein. Dieser funktionellen Mittelstellung entspricht eine nur schwach und undeutlich erfahrbare Wahrnehmung. Auch mit geschlossenen Augen spçre ich wohl, ob mein Arm gestreckt oder abgewinkelt ist. Dennoch wird mir das Gefçhl hierfçr in aller Regel nicht bewusst. Die Alltagssprache hat fçr dieses Gefçhl keine besondere Modalitåt benannt und es wird allenfalls çber ¹schwereª Glieder oder die ¹Schwere einer Lastª geklagt. Der Sinn fçr Gewichte nimmt ebenso wie der Lage- oder Raumsinn eine Mittelstellung ein zwischen Exterorezeptoren und Enterorezeptoren. Schmerzrezeptoren nehmen eine Sonderstellung ein. Sie reagieren auf vielerlei Reize, die zu Verletzungen fçhren kænnen oder Verletzungen anzeigen, und auf innere, bei Entzçndungen freigesetzte Alarmsubstanzen. Dabei

spielt es keine Rolle, woher solche Reize stammen. Ob Auûen- oder Innenreiz: der Schmerz meldet sich aufdringlich mit seiner alarmierenden Erlebnisqualitåt. 17.1.3 Die Begriffe ¹Reizª und ¹Erregungª haben eine spezifisch physiologische Bedeutung Viele Begriffe der Wissenschaften, auch der Naturwissenschaften, entstammen der Erfahrung und der Erlebniswelt des Alltags, haben jedoch im Laufe der Zeit eine eigene, eingeschrånkte und schårfer definierte Bedeutung gewonnen. In der Physik sind dies Begriffe wie Kraft, Energie, Impuls und Trågheit. In der Physiologie sind dies Begriffe wie Reiz, Erregung und Perzeption (Wahrnehmung) (Abb. 17.1). l

Reiz (stimulus) ist die Quelle einer Information, die Auskunft gibt çber Zustånde und Zustandsånderungen in der Auûenwelt (Exterorezeptoren) oder in unserem Kærper (Enterorezeptoren, Propriorezeptoren). Diese Informationsquelle kann eine physikalische Energie (Temperaturstrahlung, elektromagnetische Strahlung, kinetische Energie) sein oder eine chemische Substanz.

l

Erregung (excitation) ist die spezifische Reaktion der reizaufnehmenden Empfångerzelle, und zwar die Reaktion, die der Codierung und Weiterleitung der Information dient. In der Forschungspraxis meint Erregung zuallererst die elektrischen Potentialånderungen, die als charakteristische Reaktion der Zelle auf einen Reiz gemessen werden kænnen. Der Biochemiker rechnet die damit assoziierten chemischen Prozesse zur Erregung mit dazu.

Aus dem Gesagten folgt, dass es im Nervensystem keine Reizleitung sondern nur Erregungsleitung gibt, wenn man denn auf solche altehrwçrdigen Begriffe nicht çberhaupt verzichten will und stattdessen von Impulsleitung oder Signalleitung spricht.

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

Reizleitung kann es in den Hilfsstrukturen von Sinnesorganen geben. Die Linse des Auges leitet den Reiz, das Licht, zu den Photorezeptoren. Im Zuge einer Reizleitung kann es zu einer Umformung eines Eingangsreizes in einen Nutzreiz kommen. Im Ohr beispielsweise wird der Schallwechseldruck, der auf das Trommelfell trifft, im weiteren Verlauf der Reizçbertragungsstrecke in eine laterale Abscherung der Mikrovilli der Hærzellen transformiert. l

Rezeption (reception) ist die Aufnahme einer Reizinformation durch einen Rezeptor ± und damit beginnt ein terminologisches Verwirrspiel.

Ursprçnglich meinte das Wort Rezeptor eine Sinneszelle. Und eine Sinneszelle kann weiterhin mit diesem Wort gemeint sein. Dann haben die Biochemiker und Molekularbiologen den Begriff çbernommen, um jene Molekçle der Zellmembran zu benennen, die Liganden einfangen und an sich binden, beispielsweise ein Hormon oder einen Neurotransmitter. (Heute heiût schon jedes beliebige Molekçl, das ein anderes bindet, Rezeptor.) So kommt es bei chemischen Sinnesorganen vor, dass (molekularbiologische) Rezeptoren Duftstoffe als Liganden einfangen, worauf die (anatomischen) Rezeptoren Rezeptorpotentiale entwickeln. Um dem çbermåchtigen Druck der Molekularbiologen zu entgehen und eine unmissverståndliche Sprache zu sprechen, benutzen die Sinnesphysiologen mehr und mehr den Terminus Sensor statt Rezeptor. Doch auch auf diesen Begriff, die Biosensoren (Minimessgeråte, die molekularbiologische Rezeptoren mit elektronischen Prozessoren verbinden) nehmen Biophysiker schon wieder Zugriff. Die Analogien zu Vorgången im Sinnes- und Nervensystem sind allzu verfçhrerisch. l

Transduktion (transduction) sind die Vorgånge, die zur Codierung einer Reizinformation fçhren; diese Codierung besteht in einer Modulation des Membranpotentials (Abb. 17.2). Transduktion vollzieht sich innerhalb der Rezeptorzelle. Der Begriff Transduktion sollte nicht mit dem der Transmission verwechselt werden.

l

Transmission (transmission) meint die Weitergabe der Information von der Rezeptorzelle an die nachgeschaltete Nervenzelle und weiter von Nervenzelle zu Nervenzelle (Abb. 17.2 u. 17.3). Transmission beruht auf synaptischer Ûbertragung von Erregung.

l

Perzeption (perception) schlieût die Verarbeitung der von den Rezeptoren (Sensoren) aufgenommenen Information durch die nachgeordneten neuronalen Instanzen mit ein. 17.1.4 Rezeptoren sind dank Filter und Verstårkungsmechanismen spezifisch auf adåquate Reize abgestimmt

Rezeptoren im Sinne von Sinneszellen sind auûerordentlich empfindlich auf ganz bestimmte Informationsquellen (Reizformen) abgestimmt. In rotlichtempfindlichen Zapfen der Netzhaut kann bisweilen schon ein einziges Photon eine messbare elektrische Reaktion hervorrufen. Ein Photon im Rotbereich hat eine Energie von 3 ´ 10±19 J und ist physikalisch der schwåchste infrage kommende optische Reiz. Der durch die Membran des Zapfens flieûende Strom hat eine Stårke von 5 ´ 10±14 J. Er trågt 1,7 ´ 105 mehr Energie als das auslæsende Photon. Der Strom wird in diesem Falle von ATP-abhångigen Ionenpumpen getrieben. Sehen tut man da noch nichts. Wenn aber auch nur 5 bis 10 Photone eingefangen sind, kann das dunkeladaptierte Auge schon einen kurzen Lichtschimmer wahrnehmen. Fçr das Auffangen der Lichtquanten stehen mit dem Rhodopsin (s. Kap. 22) spezielle Molekçle zur Verfçgung. Wenn ich nåchtens andachtsvoll einen Blick zum Himmel richte und Sterne sehe, ist dies ein adåquater Reiz. Wenn ich hingegen Sterne sehe dank heftiger Energiezufuhr durch die Faust meines lieben Nachbarn, ist dies ein inadåquater Reiz. In diesem Fall, bei Zufuhr mechanischer Energie, sind hæhere Energien zur Auslæsung einer Sinnesempfindung nætig. Ein solcher Versuch, auch wenn er nur begrenzt Spaû macht, kann doch lehren, dass das Gesehene nur bedingt von der Physik des Reizes bestimmt ist.

17.1 Von der Physik bis zur Psyche: Reiz, Erregung, Wahrnehmung Abb. 17.2. Codierung einer Reizintensitåt am Beispiel eines Photorezeptors eines Invertebraten, z. B. Insekts. AM = Amplitudenmodulation, FM = Frequenzmodulation, EPSP = excitatorisches postsynaptisches Potential

17.1.5 Empfindungen und Wahrnehmungen entstehen autonom im Gehirn nach eigenen Gesetzen und festliegendem Schema der Datenauswertung Der Physiologe Johannes Mçller (1801±1858), einer der Groûen seiner Zeit, stellte das Gesetz der spezifischen Sinnesenergien auf. Ein drastisches Gedankenexperiment seiner Nachfolger (Hermann Helmholtz) macht dieses Gesetz deutlich: Wçrde man den Sehnerv (Opticus) und den Hærnerv (Acusticus) durchtrennen und die Schnittenden beider Kabel kreuzweise vertauscht wieder zusammenfçgen, wçrden wir den Blitz hæren und den Donner sehen. Mit anderen Worten: die nervalen Impulse, die das Gehirn erreichen, enthalten keine spezifische Information çber die Natur des Reizes. Diese Information bezieht das Gehirn nach dem Prinzip der festliegenden Systeminformation daraus, durch welchen Kanal die Daten einlaufen. Alle Daten, die çber den Opticus einlaufen und den visuellen Cortex erreichen, werden von vornherein als Information gewertet, die von elektromagnetischer Strahlung herrçhrt und vom Auge aufgenommen worden ist. Die Lichtempfindung als solche ist autonome Leistung der visuellen Zentren in der Gehirnrinde.

Abb. 17.3. Codierungsfolge in den drei Grundtypen von Sinneszellen

Wir wissen gegenwårtig nicht im Mindesten, ob das Gehirn eines Insekts eine vergleichbare Empfindung erzeugen kann. Der Tastsinn ist ein anderes lehrreiches Beispiel. Der Anatom und der Physiologe gliedert ihn auf in Abertausende winziger Rezeptoren, die unterschiedlich strukturiert sind und auf unterschiedliche Reizparameter ansprechen (s. Abschnitt 17.4 und Abb. 17.6). Unser Gehirn generiert aus den vielfåltigen Meldungen eine integrierende Erlebniswelt, in die fallweise sogar die Mel-

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

dungen der Temperatur- und Schmerzrezeptoren mit einbezogen werden. So fçhlen wir einen mollig weichen und warmen Pullover oder eine kantige, harte und kalte Eisenstange. Wir spçren jedoch nicht scharf voneinander getrennte, punktuelle Einzelreize, die sich einzelnen Rezeptoren zuordnen lieûen. Die Tast¹punkteª, die man mit einer Tastborste oder einer Nadel abtasten kann (s. Abb. 17.7), sind kleine rezeptive Felder, wo die Meldungen mehrerer Rezeptoren von Nervenzellen gebçndelt und integriert werden. In der von unserem ZNS zusammengestellten Empfindungswelt verschmelzen auch diese Felder zu græûeren Einheiten: Wir spçren den Bleistift zwischen den Fingerspitzen, fçhlen die Flåche einer glatten Glasplatte oder eines weichen Tuches, und nicht ein Mosaik von Punkten. 17.1.6 In Sinnesorganen bringt die Kooperation der Zellen hæhere Empfindlichkeit und erweitert den Arbeitsbereich Vielfach ist die Empfindlichkeit einzelner Sinneszellen derart gesteigert, dass bloûe Zufallsstærungen, das Untergrundrauschen, schon Erregungen verursachen kænnen. Um nicht durch solches Rauschen getåuscht zu werden, kænnen Sinneszellen und die ihnen nachgeschalteten Neurone kooperieren. Zufallsereignisse werden nicht allzu håufig in zwei oder mehr Sinneszellen exakt im gleichen Augenblick das Feuern eines Aktionspotentials verursachen. Die nachgeschalteten Neurone nehmen nach dem Koinzidenzprinzip nur Signale ernst, die von zwei oder mehr Sinneszellen gleichzeitig einlaufen. Physiologische Basis einer solchen Koinzidenzschaltung ist das Summationsprinzip an Synapsen: Nur simultan von zwei Senderzellen einlaufende Aktionspotentiale erzeugen in der Empfångerzelle eine postsynaptische Depolarisation, die groû genug ist, die Empfångerzelle ihrerseits zum Feuern zu bewegen (s. Kap. 15). Sind mehrere Rezeptorzellen da, kann man den Bereich optimaler Empfindlichkeit der einzelnen Zellen unterschiedlich machen und so den Arbeitsbereich des Gesamtorgans erweitern. Wir

werden sehen, dass dieses Prinzip der Kooperation bei gleichzeitiger Arbeitsteilung erst eine Unterscheidung von Tonhæhen und Farben ermæglicht. 17.1.7 Mit einer Vielzahl flåchig verteilter Rezeptoren ist eine råumliche Abbildung der åuûeren Reizquellen mæglich Dies ist vom Auge her bekannt, wo ein dicht mit Rezeptoren besetztes Feld, die Netzhaut (Retina), die Umwelt nach optischen Merkmalen ± Intensitåt (und Wellenlånge) des ausgesandten Lichtes ± ¹abtastetª, um dem Gehirn die Daten zur Konstruktion eines (Farb-)Bildes zu liefern. Mit der Wahl des Wortes ¹abtastenª sollte zugleich darauf hingewiesen werden, dass auch andere Sinnessysteme eine Abbildung ermæglichen. Fçr den Blinden ist das ertastete oder erlauschte Abbild der Umwelt von besonderer Bedeutung. All solche Sinnesleistungen sind nur mæglich, weil die Meldungen vieler Rezeptoren konvergent im ZNS zusammenlaufen und miteinander verglichen und verrechnet werden kænnen.

17.2 Prinzipien der Codierung 17.2.1 Erst die Umcodierung der Reizinformation in die Einheitssprache des Nervensystems erlaubt uneingeschrånkten Datenvergleich Wçrde sich ein Organismus auf eine einzige Reizquelle konzentrieren, entginge ihm viel. Physikalisch einheitliche Reize wåren wenig informativ. So haben sich alle tierischen Organismen mehrere Informationsquellen erschlossen, z. B. Licht, chemische Substanzen oder mechanische Berçhrung. Wie sollte man aber die Meldung eines Photorezeptors, der auf Blaulicht spezialisiert ist, mit der Meldung des Rotlichtrezeptors in Beziehung bringen, wie das Gesehene mit dem Erfçhlten, das Gehærte mit der Quelle eines Geruches, gåbe es nicht die Einheitssprache des Nervensystems.

17.2 Prinzipien der Codierung

Diese Einheitssprache verwendet zur Codierung und Weitergabe von Information elektrische Signale und chemische Transmitter. 17.2.2 Transduktion bedeutet Modulation eines Rezeptor- oder Generatorpotentials çber das Úffnen oder Schlieûen von Ionen-Transduktionskanålen Als erste Reaktionen einer Sinneszelle auf ein empfangenes Reizsignal wird in der Forschungspraxis in aller Regel eine Ønderung des Membranpotentials gemessen, nicht weil zuvor nicht schon Anderes geschåhe, sondern weil die Geråtschaften der Elektrophysiologie auch extrem rasche Vorgånge erfassen kænnen. Der Elektrophysiologe sieht auf dem Bildschirm l

l

ein Rezeptorpotential, das kurz nach Reizeingang als vorçbergehende Auslenkung der ±80 mV-Linie zu registrieren ist (Abb. 17.2), oder ein Generatorpotential; in diesem Fall feuert die Sinneszelle schon vor dem Eintreffen des Reizes unablåssig mit mittlerem Tempo Spikes, welche aus einer Basislinie emporschieûen. Eine reizbedingte Modulation der Basislinie hat eine Modulation der Sendefrequenz zur Folge (s. Abb. 17.5 unten). Manche Autoren nennen in diesem Fall die Modulation der Basislinie nicht Rezeptorpotential, sondern Generatorpotential (andere Autoren treffen eine solche Unterscheidung nicht).

Die Vorgånge, die zur Modulation des Membranpotentials fçhren, sind schwierig zu analysieren. Oftmals werden Pharmaka eingesetzt, um einzelne Teilprozesse zu blockieren (Antagonisten) oder ohne Einwirkung des natçrlichen Reizes auszulæsen (Agonisten). Wir gehen nicht weiter auf Technisches ein, sondern fassen die wichtigsten Ergebnisse zusammen: Die Transduktion beginnt im sensorischen Areal der Zellmembran, wo durch den Reiz besondere Ionenkanåle (Transduktionskanåle) geæffnet werden.

Abb. 17.4. Signaltransduktion (Primårreaktion). Zwei Beispiele

l

Manchmal werden diese Kanåle direkt çber die Reizenergie in ihrem Úffnungszustand moduliert. So findet man in Mechanorezeptoren Ionenkanåle, die direkt durch Dehnung der Zellmembran geæffnet werden (Abb. 17.4).

l

In anderen Fållen, so bei Chemorezeptoren und Photorezeptoren, sind membranståndige Rezeptormolekçle das Eingangselement. Diese Rezeptormolekçle kænnten direkt ligandengesteuerte Ionenkanåle sein (wie die Acetylcholin-Rezeptoren der neuromuskulåren Synapse und die H+-gesteuerten Transduktionskanåle in Rezeptoren fçr Sauergeschmack).

l

In der Mehrzahl der Fålle dçrften jedoch Signaltransduktions-Kaskaden (s. Kap. 12) an das Rezeptormolekçl angekoppelt sein. Denn solche Transduktionssysteme schlieûen Prozesse der Signalverstårkung mit ein. Wir begegnen solchen Prozessen in den Chemorezeptoren und den Photorezeptoren unseres Auges.

Die Transduktionskanåle, die der Modulation des Rezeptorpotentials dienen, sind nicht die spannungsgesteuerten Natriumkanåle der Nerven-

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

oder Muskelfaser. Was wir zuerst mit unseren elektrophysiologischen Apparaturen registrieren, sind auch nicht die gut registrierbaren Aktionspotentiale, sondern schwache, in ihrer Amplitude schwankende Ønderungen der lokalen elektrischen Membranspannung. Auch werden manchmal, so in den Zapfen des Auges, durch den Reiz nicht Kanåle geæffnet, sondern geschlossen. Auf jeden Fall kommt es zu einer Modulation der elektrischen Spannung zwischen der Auûenseite und der Innenseite der Zellmembran (Depolarisation oder Hyperpolarisation). 17.2.3 Primår wird die Reizintensitåt in einer Amplitudenmodulation des Rezeptorpotentials codiert ± AM-Codierung; zur Fernleitung wird auf FM umgeschaltet Jeder kennt von seinem Rundfunkempfånger die Kçrzel AM und FM, zwischen denen man umschaltet, wenn man von UKW auf MW wechseln will. Die gleichen Kçrzel mit der gleichen Wortbedeutung, AM = Amplitudenmodulation, FM = Frequenzmodulation, kommen jetzt ins Spiel, wenn es darum geht, in einer Sinneszelle die Intensitåt und den Zeitverlauf eines Reizes zu codieren (Abb. 17.2 u. 17.3). Mit gleicher Bedeutung und zur Kennzeichnung gleicher zellphysiologischer Vorgånge waren die Begriffe AM und FM auch fçr die Informationscodierung in einer postsynaptischen Zelle gebraucht worden (s. Kap. 15). Das Gehirn braucht, wie eben diskutiert, keine besonderen, spezifischen Signale, die ihm mitteilen mçssten, ob Licht oder Schall oder ein Duftstoff von einem Sinnesorgan eingefangen worden und als Quelle von Information genutzt worden ist. Diese Basisinformation ergibt sich schon daraus, welches Kabel elektrische Impulse liefert. Im Mindestfall muss das ZNS aber wissen, in welchem Moment ein Reiz auftritt, wie stark er ist und wie sich die Reizintensitåt im Laufe der Zeit åndert. Die Amplitude des Rezeptorpotentials (± zum richtigen Verståndnis empfiehlt es sich dringend,

erst den Text in Box K 14.1 zu lesen ±) spiegelt die Intensitåt und den Verlauf des Reizes wider. Das Rezeptorpotential (oder Generatorpotential) l

ist langanhaltend und kann die Dauer der Reizwirkung widerspiegeln;

l

folgt nicht dem Alles-oder-Nichts-Prinzip, sondern ist graduierbar; seine Amplitude kann die Reizintensitåt (oder die Geschwindigkeit der Intensitåtsånderung) widerspiegeln;

l

breitet sich je nach seiner Hæhe verschieden weit aus, bis schlieûlich jene Membranabschnitte erreicht werden, wo Aktionspotentiale losgefeuert oder Transmitter freigesetzt werden kænnen.

Geht es dann auf die Fernleitungsbahn, so wird auf die frequenzmodulierten Aktionspotentiale umgeschaltet (s. Abb. 17.2). FM-Modulation ist bei Fernleitungsstrecken weniger stæranfållig. Vor allem aber verlåuft die Signalçbermittlung mit Aktionspotentialen ohne jede Abschwåchung des Signals entlang der Ûbertragungsstrecke, und so kænnen beliebig weit entfernte Zielzellen erreicht werden. Wo die Umschaltung von AM auf FM aktuell geschieht, ist bei neurosensorischen Zellen (synonym: Nerven-Sinnes-Zellen, freie Nervenendigungen), primåren Sinneszellen und sekundåren Sinneszellen verschieden. Bei sekundåren Sinneszellen ist zwischen AM und FM eine synaptische Ûbertragung zwischengeschaltet (s. Abb. 17.3). 17.2.4 Sensoren lassen sich nach der Art, wie sie den zeitlichen Verlauf eines Reizes codieren, in (mindestens) vier Klassen einteilen: P-, D-, PD-Rezeptoren und Rezeptoren mit modulierbarer Daueraktivitåt Man appliziert einen Reiz in genau gemessener Stårke. Von Versuch zu Versuch werden die Reizintensitåt, die Geschwindigkeit des Intensitåtsanstiegs und die Dauer der Einwirkung variiert. Was dabei als Reizintensitåt (= Reizstårke) defi-

17.2 Prinzipien der Codierung

niert werden kann, ist von Reizart zu Reizart verschieden. Man registriert das Membranpotential in der Sensorzelle oder, falls dies nicht mæglich sein sollte, die Frequenz der Aktionspotentiale irgendwo entlang der nachgeschalteten Fernleitungsstrecke. Man analysiert das Muster der Entladungen (discharge pattern) und die quantitativen Input-Output-Beziehungen (Abb. 17.5). 1. Proportionalempfånger (P-Transducer, tonische Rezeptoren, non adapting). Sie geben an ihrem Ausgang eine Antwort heraus (Amplitude des Rezeptorpotentials und/oder Frequenz der fortgeleiteten Aktionspotentiale), die der Reizstårke proportional ist. Ein solches Verhalten ist selten. Es wird bei manchen Enterorezeptoren und Propriorezeptoren registriert, die Fçhler in Regelkreisen sind. 2. Differential(quotienten)-Empfånger (D-Transducer, phasische Rezeptoren, rapidly adapting). Sie reagieren nur auf eine Ønderung der Reizintensitåt, auf ihren Anstieg (On-Empfånger) oder auf den Abfall der Intensitåt (OffEmpfånger). Die Reaktion des Empfångers ist umso stårker, je rascher die Reizintensitåt ansteigt oder abfållt. Aber die Reaktion ist nur kurz. In der Fachsprache adaptiert der Rezeptor rasch. Die internationale Fachwelt spricht von rapidly adapting novelty detectors. Bei genauer Analyse der Input-output-Beziehungen findet man Rezeptoren, welche auf die l Geschwindigkeit dI/dt der Reizånderung reagieren (also die erste Ableitung der Intensitåt nach der Zeit vornehmen) und solche, die die zweite Ableitung vornehmen, d. h. die auf die Registrierung von l Beschleunigung d2I/dt2 spezialisiert sind.

Beispiele fçr phasisch arbeitende Rezeptoren finden sich in der Gruppe der Rezeptoren, die innerhalb der Sinnesmodalitåt Tastsinn Berçhrung signalisieren. Eine Berçhrungsempfindung schwåcht sich, im Gegensatz zur Druckempfindung, sehr rasch ab. Bald spçrt man die locker aufliegende Kleidung oder den Kugelschreiber in der Hand nicht mehr. Doch auch nimmermçde Vibrationsempfånger (die Vater-Pacini'schen-Kærperchen,

Abb. 17.5. Eingangs-Ausgangs-Beziehungen bei verschiedenen Rezeptoren. I = Intensitåt; A = Amplitude des Rezeptorpotentials. x-Achse: Zeit. Statt des Begriffs ¹Differential-ª ist auch der Begriff ¹phasischª, statt ¹Proportional-ª der Begriff ¹tonischª in Gebrauch

Abb. 17.6 u. 17.7) in unserer Unterhaut, mit denen wir die Vibrationen einer Cellosaite erspçren, gehæren in diese Kategorie. 3. Proportional-Differential-Empfånger (phasisch-tonische Rezeptoren). Im ersten çberschieûenden Auftaktteil des Rezeptorpotentials

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

Abb. 17.6. Hautsinne. Sensortypen in unserer Haut, die ¹den Hautsinnª vermitteln mit Tastsinn (Berçhrungs-, Druck-, Vibrations-Sinn), mit Temperatursinn (Warm-, Kalt-Sinn)

und mit dem Schmerzsinn. P-Typ = Proportional-Fçhler; D-Typ = Differential(quotienten)-Fçhler; DP-Typ = Differential-Proportional-Fçhler

(oder in der Anfangsfrequenz der Aktionspotentiale) spiegelt sich die plætzliche Ønderung der Reizintensitåt wider. Je plætzlicher der Reiz auf den Rezeptor zukommt, desto heftiger die Anfangsreaktion des Rezeptors. Dann beruhigt er sich; er adaptiert, kommt aber nicht voll zur Ruhe, solange der Reiz anhålt. Das dem Anfangspeak folgende Plateau ist die Proportional-Antwort, die die momentan herrschende Reizintensitåt widerspiegelt. Ein PDVerhalten wird bei den meisten Rezeptoren registriert ± bei den Druckrezeptoren des Tastsinnes ebenso wie bei den Långenmessern des Muskels (Muskelspindeln) oder den Photorezeptoren (Ståbchen, Zapfen) des Auges.

rinth des Innenohrs registrieren, ob wir kippen oder uns drehen. Das ¹Anwerfenª einer Sinnesfunktion braucht wie das Anwerfen eines Motors Zeit. Rezeptoren mit Spontanfrequenz warten gewissermaûen mit laufendem Motor auf den externen Reiz. Auch wenn die Umwelt stumm ist und kein Lçftchen weht, sendet das ableitende Axon ståndig im stand by mit mittlerer Frequenz Impulse ins ZNS. Registriert die Rezeptorzelle eine externe Kraft, erhæht oder senkt sie ihre Sendefrequenz. Aus dieser ståndigen Bereitschaft zur unverzçglichen Modulation der Basisfrequenz resultieren zwei Vorteile: (1) Schon geringste Reizeinwirkungen kænnen registriert werden und zwar unverzçglich, und (2) die Rezeptoren kænnen auf Reize, die von entgegengesetzten Richtungen einwirken, entgegengesetzt reagieren. Auf Kråfte von links reagiert man mit Senken der Frequenz, auf Kråfte von rechts mit Heben. Die Rezep-

4. Modulierte Spontanfrequenz (modulierte Daueraktivitåt). Rezeptoren dieses Typs finden wir beispielsweise bei Mechanorezeptoren (Neuromasten, ¹Haarª-Sinneszellen), die im Laby-

17.2 Prinzipien der Codierung

Beispiele fçr alle aufgelisteten Sensortypen finden wir unter den mechanischen Hautsinnen (Tastsinn, tactile senses). Es sind neurosensorische Zellen (oder Gruppen solcher Zellen), die verstreut in die Unterhaut eingebettet sind und deren dendritische Fasern empfindlich auf mechanische Verformung reagieren. Hilfsstrukturen sorgen bei einigen Typen von Mechanorezeptoren dafçr, dass sie auf Verformung unterschiedlich reagieren und die Antworten der (schwer zu ortenden) Rezeptoren unterschiedlich ausfallen (Abb. 17.6). 17.2.5 Arbeitsbereich und Unterschiedsempfindlichkeit der Sensoren werden durch Kennlinien charakterisiert

Abb. 17.7. ¹Subjektiveª versus ¹objektiveª Untersuchungsmethode. Im obigen Beispiel wird nach der Empfindung gefragt (ein Berçhungspunkt, oder zwei getrennte Punkte, oder gar keiner?), im unteren Beispiel werden die elektrischen Antworten registriert

toren erhalten eine Richtcharakteristik. Die Art, wie im Einzelfall die Spontanfrequenz moduliert wird, kænnte nach dem P-, D- oder PDVerfahren geschehen. Modulation der Spontanfrequenz hat keine Reizschwelle zu çberwinden; doch gibt es bei periodischen Reizen, z. B. bei Vibrationen, Best-Frequenzen, auf welche die Rezeptoren mit hæchster Empfindlichkeit reagieren. Dabei werden schier unvorstellbare Empfindlichkeiten erreicht. Sowohl bei Mechanosensoren der Wirbeltiere wie auch bei Mechanorezeptoren der Arthropoden kann es gençgen, wenn die reizaufnehmende Struktur um den Durchmesser eines Atoms ausgelenkt wird.

Wir wissen oder vermuten es, dass viele Sensoren extrem empfindlich reagieren. Aber nicht alle. Mit den Lippen fçhle ich leiseste Berçhrungen und geringste Temperaturdifferenzen. Ich sehe im grellen Sonnenlicht und im schwachen Mondlicht und ahne, dass die Helligkeiten um Græûenordnungen unterschiedlich sind (ca. 1 : 109). Soll ich hingegen die Schwere zweier Gewichte vergleichen, komme ich nur zu recht groben Abschåtzungen und der çberhaupt prçfbare Bereich ist gering. Aus eigener Erfahrung wissen wir aber auch, dass selbst empfindliche Sensoren unzuverlåssig sind, wenn es darum geht, absolute Werte fçr Reizparameter abzuschåtzen. Wir kænnen in Vergleichsprçfungen Tausende von Tænen voneinander unterscheiden; doch wer hat schon ein absolutes Gehær? Wir nehmen uns verschiedene Sinne vor und messen, bei welcher Reizintensitåt ein Sensor gerade messbar anspricht (Auslæseschwelle) und verfolgen dann den Output bei steigender Reizintensitåt. Wir messen alsdann bei verschiedenen çberschwelligen Reizintensitåten, um wieviel ein gebotener Reiz gesteigert werden muss, um gerade eine statistisch signifikante Erhæhung der Empfindungsstårke zu registrieren oder das Tier zu einer Ønderung seines Verhaltens zu bewegen (Unterscheidbarkeits-Schwelle oder Unterschieds-Empfindlichkeit). Wenn mæglich, regist-

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

riert der Physiologe gleichzeitig das Rezeptorpotential des Sensors oder die Sendefrequenz entlang der Signalçbertragungsstrecke. Der Einfachheit halber greifen wir P- oder PD-Rezeptoren (PD-Rezeptoren gibts genug) heraus und wåhlen standardisierte ¹Rechteckª- oder ¹Trapezª-Reize, so dass unterschiedliche Anstiegssteilheiten keine Rolle spielen. Ob wir nun die Hæhe des Anfangspeaks oder des folgenden (tonischen) Plateaus auswerten, wir finden drei Mæglichkeiten, wie Sinnesorgane reagieren kænnen: 1. Lineare Kennlinie. Wir kænnen sie vereinzelt bei Enterorezeptoren registrieren, die P-Transducer sind. Proportionalempfånger haben einen geringen Arbeitsbereich. Das ist im Kærperinneren, wo die zu messenden Parameter (Regelgræûen) nur geringfçgig schwanken, durchaus tragbar. Der Vorteil eines P-Empfångers ist, dass er mit absolut gleicher, feiner Unterschiedsempfindlichkeit anspricht, ob sich die Regelgræûe im unteren oder oberen Messbereich bewegt (gleichbleibende absolute Unterschiedsempfindlichkeit). 2. Logarithmische Kennlinie. Der Rezeptor spricht vielfach schon bei geringster Reizintensitåt an (tiefe Auslæseschwelle). Im unteren Messbereich ist auch die Unterschiedsempfindlichkeit noch exzellent. Je hæher aber ± beispielsweise ± die Lichtintensitåt wird, desto schlechter wird das Unterscheidungsvermægen. Bei hellem Licht muss ich schon viel an Intensitåt zugeben, um noch einen Unterschied zu bemerken. Bei der mathematischen Analyse findet man, dass die relative (prozentuale) Unterschiedsempfindlichkeit durchaus konstant sein kann. Nur sind halt 10% von 106 absolut mehr als 10% von 102 (z. B. Einheiten der Photonenstromdichte). Vorteil der logarithmischen Kennlinie: groûer Arbeitsbereich. Das Auge kann bei weiûem Licht einen Intensitåtsbereich von 109 çberstreichen. Das menschliche Gehær kann Laute wahrnehmen und unterscheiden, die alle zusammen einen Intensitåtsbereich von 1012 abdecken. Logarithmische Kennlinien sind charakteristisch fçr Exterorezeptoren.

3. Potenzfunktion. Die Sendefrequenz des Rezeptors F ist proportional der Reizintensitåt In; oder die Unterscheidbarkeit ist eine Funktion der Intensitåtsdifferenz DIn. Eine logarithmische Kennlinie im strengen Sinn liegt vor, wenn man eine Gerade erhålt, sofern man die x-Achse (Abszisse) zum Auftragen der Reizintensitåt logarithmisch einteilt (erkennbar daran, dass die Zehnerpotenzen gleiche Abstånde haben); die y-Achse (Ordinate) hingegen, welche die Amplitude des Rezeptorpotentials oder die Frequenz der fortgeleiteten Aktionspotentiale wiedergibt, linear skaliert. Manchmal gençgt eine solche Auftragsweise (Plot) nicht, um zu der gewçnschten Geraden zu kommen (gewçnscht, um beispielsweise Unterscheidbarkeitsschwellen ohne mathematische Nachbehandlung vergleichen zu kænnen). In solchen Fållen wird man oftmals zu der gewçnschten Geraden gelangen, wenn man sowohl die x-Achse als auch die y-Achse logarithmisch skaliert. In einem solchen Graphen wird auch eine Potenzfunktion zur Geraden.

Es lohnte sich kaum, auf solche Feinheiten einzugehen, gåbe es zu all diesen Plots und Kurven nicht psychische Korrelate.

17.3 Psychophysische Korrelate 17.3.1 Beispiel Temperatursinn: wie sich die Arbeitsweise von Rezeptoren im subjektiven Erleben widerspiegelt Physikalisch hat die Temperatur eine lineare Skala. In unserem Empfinden aber gibt es eine Disjunktion: Ein Gegenstand kann sich kalt oder warm anfçhlen ± bei gleicher physikalischer Temperatur. Man fasse bei Zimmertemperatur abwechselnd einen Gegenstand aus Metall und einen aus Holz an. Der eine fçhlt sich kalt an, der andere warm. Beide Gegenstånde waren lange genug im Raum, um die Raumtemperatur anzunehmen. Der Thermometer beståtigt dies. In der heiûen Sonne hingegen sind die relativen Empfindungen vertauscht: Eisen fçhlt sich heiûer an als Holz gleicher Temperatur. Die Gegenstånde unterscheiden sich in ihrer Wårmeleitfåhigkeit. Bei der çblichen Raumtem-

17.3 Psychophysische Korrelate

peratur ist unsere Haut wårmer als das berçhrte Eisen. Bei Raumtemperatur entzieht Metall der Haut Wårmeenergie rasch und in groûer Menge, das Holz nicht. Eisen çber 40 8C hingegen leitet Wårme auf die Haut ab. l

Wårme-Entzug aktiviert Kaltrezeptoren,

l

Wårme-Zufuhr aktiviert Warmrezeptoren.

Beide Rezeptortypen sind freie Nervenendigungen, d. h. sensorische Neurone, deren verzweigte dendritische Strukturen (in noch nicht bekannter

Weise) auf den Abfluss oder Zufluss von Wårme ansprechen. Beide Typen reagieren als PD-Empfånger, aber in gegensinniger Weise (Abb. 17.8). Man halte eine Hand in Wasser von 20 8C, die andere in Wasser von 40 8C. Nach einiger Zeit der Adaptation empfindet man die Unterschiede nicht mehr gar so krass. Jetzt werden beide Hånde in das gleiche 30 8C warme Wasser gesteckt. Die kaltadaptierte Hand schreit ¹heiûª, die warmadaptierte fræstelt ¹kaltª ± çberschieûende Reaktionen. Erst nach einigen Minuten der Neuadaptation sind beide Hånde gleicher Meinung. Freilich muss gesagt werden, dass bei solchen Versuchen nicht nur die Reaktion der Rezeptoren, sondern auch eine zentralnervæse Adaptation im Spiele ist. 17.3.2 Auch Empfindungen lassen sich bisweilen recht gut quantifizieren

Abb. 17.8. Weber'scher Dreischalen-Versuch. Vergleich der subjektiven Empfindung mit den elektrischen Antworten der (separat untersuchten) Temperaturrezeptoren

Obzwar der Physiologe psychisches Erleben nicht zu seinem Forschungsbereich zåhlt, beobachtet er doch mit Interesse, was der Psychologe zu sagen hat. Oder der Physiologe kooperiert mit dem Psychologen. Oder er wird selbst zum Wahrnehmungspsychologen. Wie sollte er sonst wissen, wozu beispielsweise ein Vater-Pacini'sches-Kærperchen (s. Abb. 17.7) gut ist? Pioniere eines Brçckenschlages zwischen Physiologie und Psychologie waren die Psychophysiker E. H. Weber (1795±1878), G. T. Fechner (1801±1887) und S. S. Stevens (20. Jahrhundert). Zwar sind Empfindung und Erleben nicht direkt messbar. Dennoch låsst sich aus dem Vergleich von Empfindungen manche quantitative Aussage ableiten: Sind diese beiden Gewichte gleich schwer oder ist eines schwerer als das andere? Welches ist schwerer? Wie groû muss der Unterschied sein, um gerade noch mit statistisch signifikant richtigen Aussagen als schwerer oder leichter erkannt zu werden? Welche Flåche ist heller, welcher Ton lauter? Solche Fragen wiederholt mehreren Probanden gestellt, liefern Daten, deren relativ geringe Streubreite der Qualitåt mancher physiologischen Messungen durchaus gleich-

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

BOX K 17.1

Die Anfånge der Psychophysik Weber vermerkte 1834, dass bei kleinen Gewichten kleine absolute Unterschiede wahrnehmbar sind; bei schweren Gewichten mçssen die absoluten Unterschiede græûer sein, um noch bemerkt werden zu kænnen. Die relativen (prozentualen) Unterschiedsempfindlichkeiten sind, jedenfalls in einem mittleren Gewichtsbereich, jedoch konstant (Weber-Gesetz): DI ˆ konstant; bzw: DI ˆ k  I0 ; I0

nicht linear) åndert, wenn die Reizintensitåt I çber die Intensitåt an der Wahrnehmungsschwelle I0 erhæht wird. Stevens findet oftmals Zusammenhånge, die im Graphen eine Gerade liefern, nicht wenn die Abszisse logarithmisch (gleichbleibende Basis, wachsender Exponent), sondern exponentiell (wachsende Basis, gleichbleibender Exponent) skaliert wird. Er formuliert eine Steven'sche Potenzfunktion w ˆ k  …I

I0 †n

wobei I0 das Ausgangsgewicht ist, DI der eben noch wahrnehmbare Gewichtsunterschied und k eine Konstante. Fechner verallgemeinert, formuliert etwas um, bringt den Logarithmus ins Spiel und spricht von Empfindungsstårke w (Weber-Fechner-Gesetz):

Logarithmiert man diese Beziehung, so ist man auch schon beim Plot mit logarithmisch skalierter x- und logarithmisch skalierter y-Achse. Ein solcher doppeltlogarithmischer Plot liefert (im Idealfall) stets Geraden:

I …mit k ˆ Konstante†; I0

Diese Formulierung hat den Vorteil, dass auch logarithmische und lineare Kennlinien in dieser Weise formuliert und in einem gemeinsamen Graphen dargestellt werden kænnen. Der Exponent 1 gibt einen linearen Zusammenhang wieder (Abb. 17.9).

w ˆ k  log

Dieser Zusammenhang bedeutet, dass die in einem psychophysischen Versuch festgestellte Empfindungsstårke w sich logarithmisch (also

kommt. Das entsprechende Fachgebiet heiût Psychophysik (Box K 17.1) oder wird als Teilgebiet der Wahrnehmungs-Psychologie betrachtet.

17.4 Somatosensorik: die durch Mechano-, Thermo- und Nozirezeptoren der Haut vermittelte Sensibilitåt unseres Kærpers Die Haut ist das flåchenmåûig græûte Sinnesorgan. Eine Besonderheit des ¹Hautsinnesª, in der Physiologie als Somatosensorik bezeichnet, ist es, dass hier viele, verschieden spezialisierte Mechanosensoren mit Thermosensoren und Schmerzrezeptoren (Nozirezeptoren, Nozizepto-

log w ˆ log k ‡ n  log …I

I0 †:

ren) zusammen zu einer funktionellen Einheit zusammengefasst sind, die es uns ermæglicht, Kontakt mit der Auûenwelt aufzunehmen, den Ort eines Kærperkontaktes zu ermitteln und wichtige physikalische Eigenschaften eines berçhrten Gegenstandes in Erfahrung zu bringen. 17.4.1 Die Mechanosensoren der Haut sind in zwei Schichten angeordnet; sie ermæglichen feinfçhliges Tasten oder die Wahrnehmung groûflåchiger Drçcke und von Vibrationen Ein Finger mæchte feinste Rauigkeiten ertasten und muss mit geringen Reizenergien zurecht

17.4 Somatosensorik: die durch Mechano-, Thermo- und Nozirezeptoren der Haut vermittelte Sensibilitåt

Abb. 17.9. Kennlinien. Darstellung quantitativer Reiz-Erregungs-Beziehungen durch ¹Kennlinienª: Rezeptorantworten bzw. Empfindungsstårke als Funktion der Reizstårke

kommen. Ein harter Stoû çbertrågt groûe Reizenergien und soll warnen. Die Sensoren fçr feines Tasten liegen in einer oberflåchlichen Schicht, die fçr Drçcke in einer tiefen Schicht der Dermis. Beide Schichten enthalten D- und PD-Sensoren (Abb. 17.6). l

In der oberen fçr Berçhrungsreize spezialisierten Hautschicht ermæglichen die Meissnerund Merkel-Kærperchen das feinfçhlige Erkennen von Eigenschaften berçhrter Kærper wie Glåtte oder Rauigkeit, Weichheit oder Hårte. Auch registrieren sie langsame Druckschwankungen zwischen 0,3 und 3 Hertz.

l

In der tieferen Schicht reagieren die Ruffini'schen-Kærperchen (Ruffini corpuscles) auf Verspannungen der Haut (was zur Wahrnehmung von Hårte beitrågt), wåhrend die

l

Pacini'schen Kærperchen (Pacinian corpuscles) Stæûe und Vibrationen, beispielsweise eines in unserer Hand zappelnden Frosches, einer Cellosaite, des Fahrzeugmotors oder der abgefahrenen Autoreifen registrieren. Sie haben sich auf Vibrationen zwischen 40 und 1000 Hertz spezialisiert. Die vergleichsweise groûen, bis zu 4 mm lange Sinnesorgane sind nicht nur in die Unterhaut eingestreut, sondern registrie-

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

ren auch in Sehnen und Muskeln ærtliche Vibrationen. Unsere Fingerbeeren, neben Lippen und Zunge besonders fçr differenziertes Wahrnehmen von Objekteigenschaften begabt, sind pro cm2 mit ca. 1500 Meissner-Kærperchen, 750 Merkel-Apparaten, und 75 Pacini- und Ruffini-Kærperchen ausgestattet. Schlieûlich sind auch viele unserer Haare Teil des Berçhrungssinnes. Man streichle sacht çber Haare (z. B. des Unterarms), ohne die Haut zu berçhren. Was kann der Tastsinn in seiner Gesamtheit nicht alles leisten! Wir erfassen mit unseren Hånden Form und Græûe eines Gegenstandes, seine Hårte oder Weichheit, die Textur seiner Oberflåche, ob er glitschig ist oder rau, seine Bewegungen. Allein durch Tasten kænnen wir nachts den Zipfel der Bettdecke, den Wecker oder den Lichtschalter erkennen. 17.4.2 Auch Thermosensoren und Schmerzrezeptoren tragen zum Erkennen von Objekten bei Die Mechanorezeptoren der Haut sind vergesellschaftet mit Schmerz- und Temperaturrezeptoren (s. Abb. 17.6), die sich anatomisch kaum von Dehnungsrezeptoren unterscheiden. Sie tragen zum erlebten Gesamteindruck bei: Der Pullover ist mollig weich und warm; die Herdplatte hart und kçhl ± oder schmerzhaft heiû; die Eisflåche ist bei 0 8C glitschig, nass und kalt. Wer wåre sich dessen bewusst, dass unser mentales Ich Meldungen von Hunderten verschiedener Sensoren integriert, um es uns Sehenden, und noch mehr dem Blinden, zu ermæglichen, im Dunkeln tappend doch ein nçtzliches, wenn auch unzureichendes Abbild der Umwelt zu verschaffen. Auch Nåsse ist etwas, was unsere mentale Somatosensorik erzeugt. Wer bringt Nåsse schon mit unserem Hautsinn und zugehærigen Gehirnfunktionen in Beziehung? Fçr uns ist, meinen wir, Nåsse doch eine Eigenschaft von H2O. Man narkotisiere die Haut der Hand: sie fçhlt keine Nåsse mehr.

17.4.3 Somatotopie: zur Verarbeitung der ins ZNS eingespeisten Information stehen in der Groûhirnrinde Areale bereit, die Kærperregionen repråsentieren Die von den Sensoren unserer Hand gelieferten Meldungen erreichen çber die Spinalganglien das Rçckenmark, werden zum Thalamus des Zwischenhirns weitergeleitet und einem somatosensorischen Areal in der Groûhirnrinde zugefçhrt, das alle von der Hand gelieferten Daten auswertet, von welchem sensorischen Rezeptortyp sie auch stammen. So kænnen die Meldungen der verschiedenen Sensoren integriert und der Hand zugeordnet werden. Entsprechend haben auch der Fuû und alle anderen Kærperbereiche das ihnen zugeteilte Gebiet der Datenverarbeitung. Die Græûe dieser Areale im somatosensorischen Cortex spiegelt die Zahl und Dichte der Sensoren wieder: Lippen und Finger sind auf groûen Flåchen, die wenig empfindlichen Beine und der Rumpf auf vergleichsweise kleinen Flåchen repråsentiert. Diese Projektion der Kærperregionen auf fçr sie zuståndige Auswertbezirke nennt man Somatotopie (griech.: soma = Kærper; topos = Ort). Benachbarte Areale im somatosensorischen Cortex nehmen sich der Meldungen an, die von den Propriorezeptoren der Muskeln (Muskelspindeln, Kap. 16; Sehnen- und Gelenksensoren, Kap. 18) geliefert werden.

17.5 Mentale Perzeption: konstruierte Welt und Erfahrung unseres eigenen Kærpers 17.5.1 Die Empfindung wird in unserer Erlebniswelt an den ærtlichen Ursprung des Reizes projiziert Erst durch Nachdenken, oder im medizinischen Sonderfall durch unliebsame Erlebnisse, wird uns bewusst, dass unser Gehirn eine verblçffende Leistung erbringt. Ich schaue aus dem Fenster und sehe drauûen eine Landschaft mit grasenden

17.5 Mentale Perzeption: konstruierte Welt und Erfahrung unseres eigenen Kærpers

Pferden, çberwælbt von einem Regenbogen. Doch das Bild wird ja im Gehirn erzeugt. Auch wenn der Neurologe mittels Magnetfelder bestimmte Gehirnbereiche stimuliert oder der Chirurg wåhrend einer Gehirnoperation solche Areale elektrisch reizt, werden die evozierten Halluzinationen auûerhalb des Kærpers gesehen, ebenso wie die herumschwirrenden Sterne, deren sekundenlange Existenz dem mechanischen Impuls eines Faustschlags auf das Auge zu verdanken ist. Mancher erfåhrt diese Fåhigkeit des Gehirns, die Empfindung an den (vermeintlichen) Ursprung des Reizes zu verlagern, leidvoll als Phantomschmerz. Noch lange spçrt der unglçckliche Beinamputierte den nicht mehr vorhandenen Fuû. Erst çber Monate oder Jahre verringern sich Entfernung und Dimension des gefçhlten Fuûes und die schmerzende Stelle rçckt allmåhlich zum Ort der Amputation, wo das Chaos der Narben und Blutstau eine permanente Reizung von Tast- und Schmerzsensoren verursachen kænnen. Der Blinde jedoch profitiert von diesem Verlagerungsvermægen. Er spçrt nach langer Ûbung die Bordsteinkante exakt an der Spitze seines Taststocks. 17.5.2 Die Hautsinne ermæglichen auch eine Wahrnehmung unserer Kærpergrenzen und eine Scheidung von Selbst und Nichtselbst Es gibt nicht wenige blinde und taube Menschen, jedoch extrem selten Menschen ohne Schmerzoder Temperatursinn und gar keine ohne Tastsinn. Augenscheinlich sind Menschen ohne Tastsinn schon im Mutterleib so gehirngeschådigt, dass sie nicht çberleben. Es gibt jedoch im spåte-

ren Leben bemerkenswerte Ausfålle, wenn der Schlåfenlappen in der seitlichen Gehirnregion durch eine Kopfverletzung geschådigt ist, und es gibt seltsame Erlebnisse, wenn magnetische Wechselfelder (s. Box K23) diese Region reizen. Bei partiellem Ausfall der zentralnervæsen Integration kann der im Dunkeln ertastete Wecker nicht mehr erkannt und zum Schweigen gebracht werden, und auch der getastete langjåhrige Partner ist ein unbekanntes Objekt. Mehr noch, es kænnen selbst die Grenzen des eigenen Kærpers unsicher werden, verschwimmen oder ganz verschwinden. Wenn dann noch die Integration der in den Schlåfenlappen abgezweigten Meldungen der Muskeldehnungssensoren (Kap. 16) und Gelenksinne (Kap. 18) misslingt, verliert man die Fåhigkeit, ohne Zuhilfenahme der Augen die Stellung der Glieder wahrzunehmen und die Dimensionen des eigenen Kærpers abzuschåtzen. Die Kærperrepråsentation oder das Kærperschema (own-body imagery) und das ¹Das-bin-ichselbstª-Gefçhl (self-processing) wird unzuverlåssig oder geht gar verloren. Auflæsung der eigenen Person, seine Verschmelzung mit der Umgebung sind Erlebnisse, von denen Mystiker, Menschen in Trance oder unter Drogeneinfluss berichten. Man verlåsst seinen Kærper (out-of-body experience), fçhlt sich eins mit anderen Menschen, mit dem Universum, mit Gott. Neurologen berichten in jçngsten Publikationen, åhnliche Erlebnisse lieûen sich durch Stimulation des Schlåfenlappens mit Magnetwechselfeldern bestimmter Intensitåt und zeitlicher Struktur auslæsen (z. B. Blank et al. 2005). Unsere mentalen Fåhigkeiten werden im çbergreifenden Rahmen des Leib-Seele-Problems spåter nochmals in Box K 23.2 diskutiert.

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17 Allgemeine Sinnesphysiologie, gefçhlte Welt und Kærperwahrnehmung

Zusammenfassung des Kapitels 17 Rezeptoren oder Sensoren im Sinne von Sinneszellen absorbieren ¹Reizeª, das heiût physikalische Energien oder chemische Substanzen, die Information çber Zustånde und Vorgånge in der åuûeren Welt (Exterorezeptoren) oder im eigenen Kærper (Propriorezeptoren, Enterorezeptoren) liefern. Die Reizinformation læst ¹Erregungª aus, das heiût die Erzeugung bioelektrischer Signale. Hierbei codieren die Rezeptoren als Signaltransducer die aufgenommene Information in der Einheitssprache des Nervensystems. Primår wird die Information çber Intensitåt und Zeitverlauf der Reizeinwirkung in einer Amplitudenmodulation des Rezeptorpotentials codiert; sekundår zur Weiterleitung der Information wird sie in der Frequenzmodulation normierter Spikepotentiale umcodiert. Ûber Art des Reizes (Modalitåt wie Licht oder Schall, und Qualitåt wie Blauoder Rotlicht) gibt der jeweilige ins ZNS einmçndende Datenkanal Auskunft (festliegende Systeminformation). Sinneszellen sind in aller Regel durch Filter und spezifische Verstårkermechanismen auf eine ¹adåquateª Reizart spezialisiert. Exterorezeptoren wie Licht- und Schallrezeptoren haben eine logarithmische Kennlinie: sie erfassen einen weiten Intensitåtsbereich bei allerdings geringer Unterschiedsempfindlichkeit in hohen Intensitåtsbereichen. Enterorezeptoren wie Blutdruckmesser und Muskeldehnungssensoren haben eine lineare Kennlinie: Ihr Arbeitsbereich ist eng, doch haben sie eine gute und çber den ganzen Arbeitsbereich konstante Unterschiedsempfindlichkeit. Sie werden als Fçhler in Regelkreisen eingesetzt. Der zeitliche Verlauf eines Reizes wird proportional zum jeweiligen Istwert der Reizintensitåt dem ZNS mitgeteilt (P- oder tonische Rezeptoren), oder es wird nur die Geschwindig-

keit einer Ønderung mitgeteilt (D- oder phasische Rezeptoren), oder beides (PD- oder phasisch-tonische Rezeptoren). Dieses Verhalten der Sensoren wirkt sich auch in unserer Wahrnehmung aus, so in der Geschwindigkeit einer Adaptation. Die genannten Prinzipien werden illustriert am Beispiel der vielfåltigen Hautsinne. Man findet in die Haut eingestreut eine groûe Zahl von Miniatursinnesorganen (Meissner-, Ruffini-, Pacini-Kærperchen, Merkelzellen, Haarfollikelsensoren), die bei aller Unterschiedlichkeit dendritische Fasern von Neuronen (¹freie Nervenendigungenª) als Transducer fçr mechanische Reizparameter enthalten. Sie registrieren Berçhrung, Druck, Hautverformung und Vibrationen und repråsentieren in ihrer Gesamtheit den Tastsinn. Dazu gesellen sich Warmrezeptoren, die Wårme-Zufuhr, und Kaltrezeptoren, die Wårme-Entzug registrieren, sowie Nozizeptoren (Schmerzsensoren), welche auf ein breites Spektrum von Gefahrindikatoren reagieren. Die aus einer bestimmten Kærperregion, z. B. der Hand, einlaufenden Meldungen werden zur Auswertung in ein sensorisches Gehirnareal geleitet, das speziell dieser Kærperregion zugeordnet ist (Somatotopie). Die Meldungen aller Sensoren der Hand zusammen ermæglichen es beispielsweise dem somatosensorischen Cortex, Græûe, Form, Hårte, Temperatur und Bewegungen eines in der Hand gehaltenen Etwas zum Objektbild Tennisball oder Frosch zusammenzufassen. In der mentalen Perzeption wird das Erleben an den Ort der Reizquelle projiziert, so dass der Finger fçhlt und der Fuû wehtut, und nicht das Gehirn, das die Empfindungen erzeugt. Die Hautsinne vermitteln aber auch die Fåhigkeit, die Grenzen des eigenen Kærpers zu erkennen und das Ich von seiner Umwelt zu unterscheiden.

18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

18.1 Vielfalt der mechanischen Sinne Sinneszellen und Sinnesorgane, die mechanisch einwirkende Kråfte als Quelle von Information nutzen, gibt es in groûer Zahl und in vielfåltiger konstruktiver Ausfçhrung. Vielfåltig ist die Struktur der Sensoren, die ihr elektrisches Membranpotential durch Zug- oder Druckkråfte modulieren lassen. Vielfåltig sind auch die Hilfseinrichtungen, welche die Reizflut filtern und selektionieren. Vielfåltig sind schlieûlich auch die Empfindungen, die in unserer inneren Erlebniswelt ausgelæst werden.

18.1.1 Mechanische Sinne reichen von unbewusst operierenden Enterorezeptoren bis zum Gehær l

Blutdruckmesser beispielsweise sind Enterorezeptoren, die keinerlei wahrnehmbare Empfindung vermitteln. Es handelt sich um Dehnungsrezeptoren, die die blutdruckbedingte Dehnung der Herzvorhæfe und der groûen Arterien messen.

l

Muskelspindeln sind Propriorezeptoren, die einerseits die Muskellånge messen, ohne dass dies uns bewusst wçrde. Andererseits vermitteln sie gemeinsam mit anderen Mechanorezeptoren (Sehnenorgane, Druckrezeptoren der Unterhaut) auch den mehr oder weniger spçrbaren Gewichtssinn, und sie lassen uns in Kooperation mit dem Gleichgewichts- oder Lagesinn des Labyrinths im Innenohr nur selten im Unklaren, wo uns der Kopf steht.

l

Die Arbeitsweise der Mechanorezeptoren des Labyrinths im Innenohr wird uns kaum gewahr, obwohl sie dem Gehirn ± und weniger deutlich unserer Empfindung und unserem Bewusstsein ± signalisieren, ob wir vom anfahrenden Auto oder drehenden Karussell beschleunigt werden oder ob die von der Erdkugel ausgehende Gravitationsbeschleunigung dabei ist, uns stçrzen zu lassen.

l

Das Gehær soll in einem eigenen Kapitel (s. Kap. 19) unser Gehær und unser Interesse finden. 18.1.2 Bei Fischen, Insekten und anderen Tieren gibt es noch viel Erstaunliches zu erforschen und zu entdecken

Auch altbekannte Sonderleistungen sind immer wieder erstaunlich und ihre anatomischen und physiologischen Grundlagen noch keineswegs ausreichend bekannt. Warum stæût der Fisch auch nachts nie an die Scheibe des Aquariums? Wie ortet der Fisch bei schlechter Sicht ein Insekt, das auf die Wasseroberflåche gefallen ist? Wie merkt eine Spinne, dass eine kleine Fliege im Netz zappelt? Woher weiû die Biene im dunkeln Stock, welches die exakte Lotrechte ist? Die Lotrechte muss sie kennen, um mit ihrem Tanz ihren Stockgenossinnen mitteilen zu kænnen, in welcher Himmelsrichtung die entdeckte Futterquelle zu finden ist (s. Kap. 25). Wie steuert der Schmetterling, dessen Flçgel beim leisesten Lufthauch ins Flattern geraten, seinen Flug?

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

18.2 Mechanische Sinne zur Kontrolle des Kærpers und zur Detektion von Objekten in Dunkelheit und Stille 18.2.1 Mehrere innere Mechanorezeptoren helfen, die Stellung unserer Gliedmaûen und das Gewicht einer Last wahrzunehmen Auch wenn in der klassischen Aufzåhlung der Sinne nicht davon die Rede ist: Wir wissen auch im Dunkeln und ohne dass wir etwas berçhren, ob unser Arm angewinkelt ist und in welchem Winkel, wir spçren das Gewicht des Babys, das wir im Arm halten, ohne dass dabei unser Gravitationsund Gleichgewichtssinn des Innenohrs im Spiele wåre, und wir wissen, sofern wir nçchtern sind, wo uns der Kopf steht. Um solche Leistungen erklåren zu kænnen, setzen wir statt den Unbekannten X und Y bereits bekannte Sensoren ein, so die l

Ruffini-Kærperchen (Abb. 18.1), welche in Gelenkkapseln eingelassen sind und als Sensoren fçr Zugspannung in allen Raumrichtungen dienen. Ihnen wird der Gelenksinn zugesprochen. Weiterhin beachten wir die

l

Muskeldehnungssensoren, das sind die Muskelspindeln (s. Kap. 16, Abb. 16.10 bis 16.13) und dazu die Golgi-Sehnenorgane (Abb. 18.1).

Diese Sinne kænnen aber auch in Kooperation mit den Druckrezeptoren des Tastsinnes als Exterorezeptoren dienen, wenn sie uns die Schwere einer Last mitteilen (Gewichtssinn). Dafçr wåren die oftmals und missverståndlich als ¹Schweresinnª bezeichneten Maculaorgane des Innenohrs (Kap. 18.7) ungeeignet. Diese geben uns zwar die Richtung der Schwerkraft und damit beim Tauchgang die Richtung nach unten und oben an, helfen aber nicht, wenn wir die Schwere einer Last abschåtzen wollen. 18.2.2 Auch Haare kænnen, vor allem bei Tieren, erstaunlich leistungsfåhige Detektoren sein Wir greifen als Beispiel ein Sinnesorgan heraus, das man leicht unterschåtzt, weil es ja doch nur Haare sind: die Vibrissen (Schnurrbarthaare, Sinushaare) der Såugetiere. l

Ratten lassen bei Nacht unablåssig ihre Vibrissen vibrieren mit ca. 6 Pendelbewegungen in der Sekunde. Schon eine Abbiegung von weni-

Abb. 18.1. Gelenk- und Schweresinn. Miniatursinnesorgane in den Sehnen und in den Gelenkhåuten registrieren Zugspannungen. In Kooperation mit den Muskelspindeln (Muskeldehnungssensoren) und den Druckrezeptoren der Haut registrieren sie die Winkelstellung der Gliedmaûen und das Gewicht einer Last

18.3 Vielfalt mechanosensorischer Messgeråte am Beispiel der Sensillen der Insekten und anderer wirbelloser Tiere Abb. 18.2. Vibrissen (Schnurrhaare) eines Sehhundes ertasten die Wirbelbahn, die ein Fisch hinterlassen hat. Die Beute kann auch in trçbem Wasser geortet werden

gen Nanometern oder 0,1 bis 0,28 verursacht eine Meldung ins Gehirn. l

Robben haben hæchstempfindliche Schnurrhaare, deren Schaft von 1600 Nervenfasern umsponnen ist und die Wasserbewegungen von wenigen Tausendstel Millimeter wahrnehmen kænnen. Mit seinem Schnauzbart kann der Seehund auch im trçben Wasser einen meterweit entfernten Fisch verfolgen, indem er die Wirbelbahn ertastet, die der schwimmende Fisch oder der Propeller eines Mini-Unterseeboots erzeugt hat (Abb. 18.2).

18.3 Vielfalt mechanosensorischer Messgeråte am Beispiel der Sensillen der Insekten und anderer wirbelloser Tiere 18.3.1 Cuticularhaare: vom Tastsinn bis zum Registrieren der Schwerkraft und zum Hæren Bei Insekten und anderen Arthropoden kænnen wir bewundernd erfahren, wie gleiche oder ge-

ringfçgig modifizierte Grundtypen von Sinnesorganen zu den unterschiedlichsten Zwecken tauglich sein kænnen. Umgekehrt kænnen fçr eine Funktion, beispielsweise zur Registrierung der Lotrechten oder zur Perzeption von Schall, unterschiedlich konstruierte Sinnesorgane eingesetzt werden. Bei Arthropoden ± Insekten, Spinnen, Krebsen ± findet man oft Miniatursinnesorgane, die man Sensillen nennt. Dieser Ausdruck wåre durchaus auch passend fçr die Miniatursinnesorgane in unserer Haut (wie z. B. Meckel'sche Tastkærperchen oder Vater-Pacini'sche-Kærperchen oder Tasthaare), wird aber im Regelfall nur bei Arthropoden gebraucht. Ein typisches Sensillum ist das gelenkig in die Cuticula eingebettete Cuticularhaar (Abb. 18.3 u. 18.4). Seine Ablenkung wird von Sinneszellen registriert, die im Elektronenmikroskop Restkomponenten einer Cilienstruktur erkennen lassen. Eine solche Restkomponente ist der Tubularkærper, der sich dort befindet, wo das reizaufnehmende (ehemalige) Cilium Zug-, Druck- oder Biegekråften ausgesetzt ist. (Die Mechanismen der Transduktion sind im Einzelnen noch ungeklårt.)

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

Abb. 18.3. Mechano-sensorisches Cuticularhaar eines Insekts mit verschiedenen Mæglichkeiten, wie die Ablenkung des Haares (Borste) registriert werden kann

Solche Haarsensillen werden verwendet als l

Tastsensoren,

l

Propriorezeptoren im Umfeld von Gelenken, um die Winkelstellung von Gliedern oder Kærperteilen zueinander zu registrieren,

l

Schwerkraftsensoren, um die Lotrechte auszumachen, um also herauszufinden, wo oben ist und wo es nach unten Richtung Erdmittelpunkt geht. Diesen Aspekt diskutieren wir im nachfolgenden Kap. 18.4 nåher.

l

Windmesser; hierzu eignen sich Cuticularhaare (oder Antennen), die sehr leicht sind und sehr beweglich in die Cuticula eingelassen sind (Abb. 18.4).

l

Vibrations- oder Schallempfånger; die eben erwåhnten leicht beweglichen Haare kænnen bis-

Abb. 18.4. Ein Cuticularhaarsensillum, das leicht beweglich aufgehångt ist, kann verschiedene Sinnesfunktionen vermitteln. Je nach Detailkonstruktion und Position am Kærper kann ein solches Haar Luftbewegungen, die Flugeigengeschwindigkeit und auch Luftbewegungen in Form von Schall im Resonanzbereich des Haares registrieren

weilen so leicht ins Zittern und Schwingen geraten, dass sie feinsten, hochfrequenten Schwingungen des Bodens oder der Luft folgen kænnen. Als Hærorgane gehæren Cuticularhaare zum Typus der Schallschnelle-Empfånger (s. Kap. 19). 18.3.2 Torsionsmesser, Vibrationsmesser und ein Kreisel-Flugçberwachungsgeråt Das Inventar der Sensillen umfasst auch Messorgane, die Verwindungen der Cuticula registrie-

18.3 Vielfalt mechanosensorischer Messgeråte am Beispiel der Sensillen der Insekten und anderer wirbelloser Tiere

Abb. 18.5. Torsionsmesser in der Cuticula von Arthropoden. Links: Campaniforme Sensillen (Kuppelsensillen) an der Basis der Halteren (Schwingkælbchen) einer Fliege. Rechts: Spaltsensillen auf den Extremitåten der Spinne. Mehrere Spaltsen-

sillen kænnen zu einem lyriformen Organ zusammengefasst sein. Die Sensillen messen primår die Verwindungen und Verzerrungen der Cuticula

ren. Solche Torsionsmesser sind die Kuppelsensillen (campaniformen Sensillen) der Insekten. Eine dçnnwandige Kuppel aus Chitin wird durch Zugoder Schubkråfte, die auf die Cuticula einwirken, hochgewælbt oder abgeflacht (Abb. 18.5). Dies wird von dehnungsempfindlichen Rezeptoren registriert. So kann der Schmetterling erfahren, wie der Wind an seinen Flçgeln zerrt. Zu den erstaunlichsten Sensoren des Tierreichs gehæren die Schwingkælbchen (Halteren, Betonung auf te) der Dipteren (Fliegen, Mçcken, Schnaken). Halteren sind ehemalige Hinterflçgel,

die in der Evolutionsgeschichte der Dipteren zu keulenfærmigen Gebilden reduziert worden sind. Die Schwingkælbchen werden im Flug synchron mit den Flçgeln (aber in Gegenphase) in hochfrequente Schwingungen versetzt. Die Keule wird zu einer Schwungmasse. Obzwar die Keulenspitze keinen exakten Kreis, sondern eine 8-færmige Figur beschreibt, erhålt die Keule soviel Impuls und kinetische Energie, dass ihre Figurenachse wie die Figurenachse (Drehimpulsachse) eines Kreisels raumfest wird. Die Halteren werden zu einem Gyroskop, einem Kreisel-Flugçberwachungsgeråt.

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

remitåten in der Nåhe der Gelenke. Spaltsensillen kænnen zu lyriformen Organen gruppiert sein, bei denen die Långe und Resonanzfrequenz der Spalten wie die Långe und Schwingungsfrequenz der Saiten einer Lyra abgestuft sind. Lyriforme Organe reagieren auf allerfeinste Erschçtterungen und Vibrationen, wie sie z. B. von den Fåden des Netzes ausgehen, wenn eine kleine Fliege, die sich im Netz verfangen hat, verzweifelt mit den Flçgeln schlågt.

18.4 Schwerkraftmesser und Gleichgewichtssinn 18.4.1 Schwerkraftrezeptoren funktionieren in seltenen Fållen nach dem Prinzip der Wasserwaage, oft nach dem Prinzip des Lotes

Abb. 18.6. Die Halteren einer Fliege als Gyroskop zur Registrierung von Dreh- und Kippbewegungen einer Fliege im Flug. Dank der keulenfærmigen Gestalt der Halteren und der hohen Geschwindigkeit der Keulenspitze ist die Schlagbahn åhnlich der Drehimpulsachse eines Kreisels raumfest. Felder mit campaniformen Sensillen an der Halterenbasis registrieren Cuticulaverformungen, die bei plætzlicher Auslenkung des Fliegenkærpers auftreten

Wenn der Fliegenkærper durch einen Windstoû um seine Långs- oder Querachse rotiert, behålt die Figurenachse des Kreiselgeråts ihre Lage im Raum (Abb. 18.6). Es kommt zu Verwindungen der Cuticula an der Basis der Halteren. Diese Verwindungen werden durch Felder aus campaniformen Sensillen registriert. Die Steuerung der Flugmotorik wird versuchen, die so registrierten Stærungen der Fluglage auszugleichen. Eine hochsensitive Variante des cuticulåren Torsionsmessers sind die Spaltsensillen der Spinnen. Sie sind çber dem ganzen Kærper verstreut zu finden, in besonders hoher Dichte auf den Ext-

Organismen sind seit Jahrmillionen der Gravitationsbeschleunigung ausgesetzt, die von der Erdmasse ausgeht. Sie haben vielfåltige Mæglichkeiten gefunden, die Richtung der Schwerkraft zu bestimmen, um in der Tiefe des dunklen Ozeans, im trçben Gewåsser, in der Finsternis des Erdbodens oder in der Dunkelheit einer bewælkten Nacht herauszufinden, wo es nach oben oder unten geht. Vor allem werden Schwerkraftrezeptoren gebraucht, um den Kærper bei Stærungen ins Gleichgewicht zurçckrudern zu kænnen (Abb. 18.7, 18.8 u. 18.9). Die Gleichung Schweresinn = Gleichgewichtssinn geht vermutlich fast immer auf. Manche Wassertiere ermitteln Lotrechte und Waagrechte nach dem Prinzip der Wasserwaage mittels einer Gasblase (Pneumatophore mancher Staatsquallen, Schwimmblase von Fischen). In allen anderen Fållen wird das Prinzip des spezifisch schweren Kærpers genutzt, der nach dieser oder jener Seite rollen oder pendeln kann, und dessen Bewegungen von Tastsensoren registriert werden. Ein Lot hångt umso zuverlåssiger senkrecht, ungeachtet aller Wasser- oder Luftstræmungen, je græûer sein spezifisches Gewicht (Massendichte)

18.4 Schwerkraftmesser und Gleichgewichtssinn Abb. 18.7. Schwerkraftrezeption bei der Biene. Tasthaare im Bereich der Gelenke registrieren, wie Kopf und Abdomen durch die Schwerkraft lotrecht nach unten gezogen werden

Abb. 18.8. Statocysten als Schwerkraftrezeptoren und Gleichgewichtsfçhler bei dekapoden Krebsen. In die offene Grube (Statocyste) im Basisglied der ersten Antenne hat der Krebs Steinchen gestopft, deren Lage laufend durch sensorische Cuticularhaare registriert wird. Wenn die rutschenden Steinmassen eine Kippbewegung des Kærpers signalisieren, versucht der Krebs, durch Ruderbewegungen mit den Extremitåten das Gleichgewicht zurçckzugewinnen

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

Abb. 18.9. Schwerkraft- und Gleichgewichts-Rezeptoren bei weiteren Wirbellosen: Statocyste einer marinen Nacktschnecke und Sinneskolben (Rhopalium) bei einer Qualle als Beispiele

der Quallen. Wird die Glocke, der Schirm der Qualle, durch Wasserbewegungen ins Schaukeln gebracht, registrieren Sinneszellen mit sensorischen Cilien den Anschlag des Klæppels (Abb. 18.9).

im Vergleich zur Dichte des umgebenden Mediums ist. Seeleute verwenden Lote aus Blei. 18.4.2 Statolithen, Klæppel und hångende Kærperteile: das Prinzip des massedichten Kærpers wird im Einzelfall unterschiedlich zum Ermitteln der Lotrechten genutzt l

Ein schwerer Kærper aus massedichten Mineralien (Statolith) in einer kugelfærmigen Statocyste biegt die Cilien sensorischer Zellen ab. Je nachdem, wohin der Statolith abgleitet, bekommen ihn diese oder jene Sinneszellen zu spçren. Sehr schæne Statocysten findet man bei marinen Nacktschnecken, besonders bei solchen, die nicht bloû auf einer Flåche kriechen, sondern sich auch im dreidimensionalen Raum schwimmend bewegen (Abb. 18.9).

l

In anderen Fållen hångt der schwere Kærper wie der Klæppel einer Glocke beweglich nach unten. Beispiel: die Sinneskolben (Rhopalien)

l

Dekapode Krebse (Flusskrebse, Hummer) haben im Basisglied der ersten Antennen eine Grube, die mit sensorischen Cuticularhaaren ausgekleidet ist. Nach jeder Håutung stopfen die Krebse kleine Steinchen in die Grube, die dadurch zu einer halbartifiziellen Statocyste wird (s. Abb. 18.8). Sie benutzen ihre zwei Lotmesser, um sich wieder gerade auf die Beine stellen zu kænnen, wenn Wasserturbulenzen sie aus dem Gleichgewicht geworfen haben. Forscher aus der Grçnderzeit der Tierphysiologie machten sich einen Spaû daraus, den Krebsen nach der Håutung Eisenspåne anzubieten ± und dann die Krebse mittels eines Magneten an der Nase herumzufçhren.

18.5 Die erstaunliche Nesselzelle l

Bei Bienen hat man lange vergeblich nach spezifischen Schwerkraftrezeptoren gesucht, die nach Meinung der Forscher hochspezifisch nur die Schwerkraftrichtung rezipieren sollten. Bienen brauchen empfindliche Schwerkraftrezeptoren nicht nur im Flug, sondern auch im dunklen Stock, wenn sie auf der senkrechten Wabe ihre Tånze vorfçhren. Tanzrichtung nach oben, exakt der Schwerkraft entgegengerichtet, sagt den nachfolgenden Bienen: ¹Fliegt exakt Richtung Sonne.ª Tanzrichtung nach unten sagt: ¹Fliegt mit der Sonne im Rçcken.ª

Ob ein Insekt geht oder fliegt, immer ist es der Thorax, der gegen die Schwerkraft abgesichert ist, sei es, dass er von den Beinen gestçtzt wird oder dass er an den Flçgeln hångt. Kopf und Hinterleib dagegen kænnen herunterhången; an ihnen setzt die Schwerkraft erfolgreich an, um sie herabzuziehen und gegen den Thorax abzuwinkeln, wie und wo das Insekt sich auch bewegt (s. Abb. 18.7). Wieder kommt das Klæppelprinzip zum Zuge. Sensorische Cuticularhaare im Bereich des Halsgelenkes und des Gelenkes zwischen Thorax und Abdomen registrieren propriorezeptiv den Winkel des Gelenkes und damit auch die Richtung der Schwerkraft.

18.5 Die erstaunliche Nesselzelle 18.5.1 Sensor und rekordverdåchtiger Effektor in einem Die Nesselzelle der Cnidarier (Korallen, Quallen und Scyphopolypen, Hydrozoen) gilt unter den Cytologen als komplizierteste tierische Zelle (Abb. 18.10). Der Physiologe hat erstaunliche Angaben hinzuzufçgen. Im Kapselraum befindet sich enzymatisch hergestelltes Poly-c-L-Glutamat, das als Polyanion mit Kalium-Kationen vergesellschaftet ist. Beide zusammen bilden eine osmotisch hochwirksame Explosivmasse. Tritt Wasser in den Kapselbinnenraum, entfaltet sich ein Druck von 150 bar (1,5 ´ 107 Pa).

Unter diesem enormen Druck, der jeden Autoreifen in Tausende von Fetzen zerreiûen wçrde, wird der Schlauch nach auûen geschleudert, sobald der Deckel der Kapsel aufspringt. Unterstçtzt wird der osmotisch erzeugte Druck durch Energie, die in der elastischen Wand der Kapsel und des Schlauches wie in einer Feder gespeichert ist. Obwohl der Schlauch umgestçlpt werden muss, fliegt er mit einer (errechneten) Beschleunigung von 40 000 g aus der Kapsel, um mit einem Stilett den Cuticularpanzer eines kleinen Krebses zu durchschlagen (z. B. Nesselkapseltyp Stenotele einer Hydra). Durch den Schlauch wird alsdann låhmendes Gift in das Opfer injiziert. 18.5.2 Der sensorische Apparat erinnert an die ¹Haarª-Sinneszelle der Wirbeltiere Das Harpunengeschoss der Nesselkapsel muss çber einen sensorischen Apparat ausgelæst werden, der auf eine Kombination von mechanischem und chemischem Reiz anspricht. Dieser sensorische Apparat besteht aus einem Cilium (Kinocilium) und einer Gruppe von kreisfærmig angeordneten Mikrovilli (Stereovilli, Abb. 18.10). Eine åhnliche Struktur findet man bei den ¹Haarsinneszellenª der Wirbeltiere (s. Kap. 18.6). Gewiss gibt es keine direkte evolutive Linie von Nesselzellen zu Rezeptoren der Wirbeltiere. Man findet jedoch die Kombination Cilium plus Gruppe von Mikrovilli auch bei Mechanorezeptoren von Cnidariern, die nicht mit einer Nesselkapsel beladen sind, beispielsweise bei den Sensoren, die die Pendelbewegungen der Rhopalien registrieren (Abb. 18.9). Sogar bei einzelligen Choanoflagellaten finden sich åhnliche Strukturen. Eine evolutive Beziehung zwischen ihrem sensorischen Apparat und åhnlich strukturierten Rezeptoren in den verschiedenen Tierståmmen ist daher nicht auszuschlieûen.

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr Abb. 18.10. Nesselzelle (Cnidocyte, Nematocyte) des Sçûwasserpolypen Hydra (Typ Stenotele). Rechts: Momentaufnahme wåhrend der Entladung (Exocytose). Unter hohem Druck wird der Schlauch ausgeschleudert und umgestçlpt. Kinocilium und Stereovilli dienen als sensorischer Auslæseapparat

18.6 ¹Haarª-Sinneszellen und Neuromasten der Wirbeltiere

Lichtmikroskop auf der apikalen Oberflåche der Zellen sah. Diese ¹Haareª erwiesen sich spåter im Elektronenmikroskop als l

ein Cilium, das Cilien-typische 9 + 2 Mikrotubulipaare enthålt und deshalb als beweglich betrachtet wird und Kinocilium genannt wird (griech.: kinein = bewegen); das Cilium kann auch mal fehlen, so in den Haarsinneszellen der Gehærschnecke von Såugetieren;

l

eine Gruppe von Mikrovilli, çblicherweise Stereocilien, besser Stereovilli genannt. Die Zahl der Stereovilli kann çber 100 pro Zelle betragen.

Wir begegnen einem Rezeptortyp, der von Wirbeltieren vielseitig eingesetzt wird und Sinnesleistungen vom Stræmungssinn der Fische bis zum Hæren einer Bach'schen Fuge vermittelt. 18.6.1 ¹Haarª-Sinneszellen haben eine Richtcharakteristik und reagieren auf vektorielle Kråfte Warum ¹Haarª in Anfçhrungszeichen? Die Rezeptoren, mit denen wir es nunmehr zu tun haben, sind nicht in oder an unseren Haaren lokalisiert. Der gånzlich missglçckte Ausdruck bezieht sich auf den Schopf von ¹Haarenª, den man im

¹Stereoª heiût in diesem Fall nicht råumlich, sondern steif. Der Ausdruck Cilium ist bei den Stereovilli fragwçrdig, weil diese Strukturen, im Gegensatz zum Kinocilium, nicht mit einem 9+2 Mikrotubuliapparat ausgestattet sind, sondern

18.6 ¹Haarª-Sinneszellen und Neuromasten der Wirbeltiere

von Actinfilamenten versteift werden, wie dies bei Mikrovilli çblich ist. Dies gilt jedenfalls fçr die Haarzellen der Wirbeltiere. Ûbergangsformen bei Wirbellosen mit Relikten von Cilienstrukturen in den Villi lassen allerdings vermuten, dass die Stereocilien tatsåchlich aus Cilien hervorgegangen sind. Im Innenohr der Såuger degeneriert nach der Geburt das Kinocilium, und der ¹Haarªbesatz besteht nur noch aus Stereocilien/-villi. Um Miss-

verståndnisse zu vermeiden, bevorzugen wir in diesem Buch, wie manch andere Autoren auch, den Ausdruck Stereovilli. Haarsensoren sind sekundåre Sinneszellen ohne eigenes ableitendes Axon. Sie entwickeln ein amplitudenmoduliertes Rezeptorpotential, çbergeben aber ihre Meldung nicht elektrisch, sondern mittels des Transmitters Glutamat an ein Neuron, das die Meldung in Form frequenzmodu-

Abb. 18.11. Haarsinneszelle der Wirbeltiere und ihre bidirektionale Arbeitsweise

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

lierter Aktionspotentiale ins ZNS weiterleitet. Dieses Meldeneuron wird von der Haarsinneszelle auch im Ruhezustand zum Feuern stimuliert ± in måûiger Frequenz. Werden aber die Mikrovilli durch seitlich angreifende Scherkråfte abgebogen, setzt die Sinneszelle im Vergleich zur Ruhelage mehr oder weniger Transmitter frei. Entsprechend steigt oder fållt die Sendefrequenz des nachgeschalteten Neurons (Abb. 18.11). Die Kombination Sinneszelle plus fortleitende Nervenzelle hat eine ausgeprågte Richtcharakteristik. Ablenkung der Villi in Richtung des Ciliums fçhrt zur Erhæhung der Sendefrequenz, Auslenkung in Gegenrichtung zum Absenken der Frequenz. Es wird also nicht nur die Stårke einer ablenkenden Kraft codiert, sondern auch ihr Vektor. 18.6.2 Ein gegenwårtig favorisiertes Modell der Transduktion låsst Ionenkanåle der Stereovilli durch ein Zugseil æffnen Im Falle der Haarsinneszellen des Utrikels (s. Kap. 18.7.3) glauben gegenwårtig fçhrende Forscher (Hudspeth et al. 1985) den Prozess der Transduktion verstanden zu haben. Zwar sind die Transduktionskanåle, die bei Auslenkung der Stereovilli geæffnet werden, bisher noch nicht identifiziert worden, aber es hat sich in der Forschergemeinde eine schon sehr detaillierte Vorstellung etabliert, wie sie denn geæffnet werden. Elektronenmikroskopische Studien haben gezeigt, dass alle Stereovilli durch dçnne Proteinfåden (tip links) nahe ihrer oberen Enden miteinander verbunden sind. Wenn ein Stimulus auf die Haarzelle einwirkt, reagiert deshalb der gesamte Schopf als funktionelle Einheit. Bei seiner Ablenkung in die Richtung, die eine Depolarisation der Zelle zur Folge haben wird, straffen sich die Proteinfåden und æffnen Transduktionskanåle genau an der Stelle, wo die tip links an den Stereovilli befestigt sind (Abb. 18.12). Die Kanåle werden von den tip links durch Zug geæffnet; es kommt zum Einstrom von Kationen und dadurch zur Depolarisation. Bei Rçckstellung der Stereovilli entspannen

Abb. 18.12. Mechano-elektrische Transduktion eines Abbiegereizes in eine Erregung. Bei einer Ablenkung der Stereovilli Richtung Kinocilium erweitern die Federzçge der tip links im Nachbarvillus den Úffnungszustand von Kationenkanålen. Mittels Myosinmotoren kann die Position der Kanåle entlang der Mikrovilli verschoben werden. Verschiebung Richtung Basis soll der Adaptation zugrunde liegen. Modellvorstellung nach Untersuchungen an Haarsinneszellen der Macula utriculi des Ochsenfrosches. (Nach Hudspeth 1989)

sich die tip links, und die Elastizitåt des Systems bewirkt das Schlieûen der Kanåle. Zur Adaptation des Systems an die Stårke der angreifenden Biegekråfte klettert ein Myosinmotor im Innern der Stereovilli mit dem Anheftungspunkt eines tip links an den Actinfilamenten empor und stellt so dessen Sollspannung ein. Der groûe Vorteil dieses Zugseil-Mechanismus ist, dass vom Eintreffen des Reizes (Auslenkung der Stereovilli) bis zur elektrischen Reaktion der Haarzelle (Úffnung der Kanåle) nur Nanosekunden vergehen. Die Haarzelle kann extrem schnell reagieren ± sie ist die schnellste aller Sinneszellen. Darçber hinaus wird bei Haarsinneszellen allgemein beobachtet, dass eine efferente Zuleitung vom ZNS zurçck zu der Haarsinneszelle eine Empfindlichkeitseinstellung durch das ZNS er-

18.6 ¹Haarª-Sinneszellen und Neuromasten der Wirbeltiere

mæglicht. Im Bedarfsfall, wenn seine Meldung stæren kænnte, kann ein Rezeptor ausgeschaltet werden. 18.6.3 Die Stereovilli mehrerer Haarsinneszellen kænnen durch eine extrazellulåre Matrix gebçndelt sein und reagieren dann kooperativ Man findet Haarsinneszellen in aller Regel nicht solitår, sondern in Gruppen zusammengefasst. Die sensorischen Apparate mit Kinocilium und Stereovilli der Mitglieder einer Gruppe ragen in eine gemeinsame, gallertige extrazellulåre Matrix (Cupula). Die sensorischen Apparate einer Gruppe werden also gemeinsam in gleiche Richtung abgebogen. So kann die Empfindlichkeit und Zuverlåssigkeit des Gesamtorgans gesteigert werden. Mikroskopische Wasserturbulenzen sind als Stærquelle und Ursache eines undefinierbaren Rauschens ausgeschaltet. Eine relativ kleine, auf einer Anhæhe postierte Gruppe von Haarsinneszellen heiût Neuromast (Abb. 18.13). 18.6.4 Die Seitenlinienorgane der Fische und Amphibien als Sinn fçr Wasserstræmungen, Ferntastsinn und niederfrequenten Wasserschall Warum stæût der ståndig ± auch in der dunklen Nacht und im Schlaf ± schwimmende Fisch nicht gegen die Aquarienwand? Wie merkt er, auch wenn er hinter Wasserpflanzen verborgen ist, dass wir unsere Hand ins Becken tauchen? Fische, Kaulquappen und ståndig im Wasser lebende Amphibien wie der Krallenfrosch Xenopus (Abb. 18.13) haben Seitenlinienorgane, mit denen sie Wasserstræmungen und ihre eigene, relative Schwimmgeschwindigkeit registrieren. Seitenlinien sind entlang von Linien in Reih und Glied angeordnete Gruppen von Haarsinneszellen (Neuromasten). Sie kænnen nicht nur Wasserstræmungen, sondern auch Druckwellen wahrnehmen und dienen damit als Ferntastsinn. Druckwellen, die von den ståndig wedelnden Brustflossen erzeugt werden, die der Schwanz

Abb. 18.13. Seitenlinienorgane beim Krallenfrosch Xenopus. Die Haarsinneszellen liegen in der Oberhaut und sind zu Gruppen (Neuromasten) zusammengefasst; Kinocilien und Stereovilli einer Gruppe ragen in eine gallertige Cupula, die von Wasserstræmungen abgelenkt werden kann. Hçgel zwischen den Cupulae kænnen Wasserstræmungen bzw. Druckwellen auf zwei Cupulae zuleiten, die alsdann gegensinnig abgelenkt werden

zur Seite schleudert oder die der ruckartig vorschwimmende Fisch vor sich herschiebt, werden von der Aquarienwand reflektiert und von Neuromasten auf der Haut des Fisches oder Amphibs registriert. Grundsåtzlich eignen sich die Neuromasten auch zur Perzeption von niederfrequentem Wasserschall. Die Neuromasten sind im Regelfall auf der Hautoberflåche entlang von Linien gruppiert, un-

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

jeden Neuromasten sind durch eine gallertige Fahne zu einer Cupula zusammengefasst. Genau die gleichen Gebilde finden wir in unseren Bogengången wieder. Kein Wunder; denn die Bogengånge und darçber hinaus das ganze Labyrinth des Innenohrs sind evolutionsgeschichtlich aus den Seitelinienorganen der Fische hervorgegangen! In der Embryonalentwicklung eines Wirbeltieres entsteht das Labyrinth auch heute noch, ebenso wie der Kanal eines in die Unterhaut abgesenkten Seitenlinienorgans, aus einer Einsenkung des Ektoderms (Plakode).

18.7 Das Labyrinth des Innenohrs: Drehund Schwerkraft- und Gleichgewichtssinn 18.7.1 Der Vestibularapparat des Labyrinths umfasst mehrere Sinne, die als Bewegungsund Lagesinn zusammengefasst werden

Abb. 18.14. Seitenlinienorgane bei einem Fisch. Im vorderen Kærperbereich sind Neuromasten mit ihren Cupulae in Kanåle versenkt, die unter der Haut långs des Kærpers verlaufen. Zufçhrende Stichkanåle durchbohren die Schuppen. Sie leiten Druckwellen in die Långskanåle

ter denen die ableitenden nervalen Leitungen verlaufen. Die ganze Kærperoberflåche wird zum Sinnesorgan, dessen råumliches Auflæsungsvermægen von der Dichte der Rezeptoren abhångt. Bei schnell schwimmenden Fischen sind die Neuromasten der vorderen Kærperhålfte (teilweise) in Kanåle versenkt, die unter den Schuppen verlaufen (Abb. 18.14). Die sensorischen Apparate eines

Mit dem Ohr hært man. Wagt man, nach weiteren Sinnen zu fragen, die im Innenohr lokalisiert sind, werden Antworten nicht selten unsicher und unpråzise. Das ist verståndlich. Das Labyrinth des Innenohrs (Abb. 18.15) verwirrt nicht nur manchen Studienanfånger. Einerseits hat das Labyrinth mit seinem Vestibularapparat eine komplizierte Struktur, die Ansprçche an unser råumliches Vorstellungsvermægen stellt. Andererseits werden diesem Organ mehrere Sinne zugeschrieben, von denen man ahnt, dass sie irgendwie miteinander zusammenhången, die aber gerade deshalb schwer auseinander zu halten sind: Ist das Labyrinth nun ein Gleichgewichtssinn, ein Bewegungssinn, oder ein ¹statischer Sinnª (± die unglçcklichste aller Bezeichnungen), ist es ein Schweresinn, ein Gravitationssinn, ein Lagesinn oder was? Es ist alles in einem. Wir gliedern das Gebilde in seine anatomischen und funktionellen Untereinheiten auf:

18.7 Das Labyrinth des Innenohrs: Dreh- und Schwerkraft- und Gleichgewichtssinn

Labyrinth I. Vestibularapparat 1. Bogengånge ± Drehbeschleunigung = Winkelbeschleunigung = Rotationssinn 2. Maculaorgane (Macula utriculi, Macula sacculi) ± Linearbeschleunigung ± Schwerkraft ± Gleichgewichtssinn II. 3. Cochlea = Schnecke: Gehær

Abb. 18.15. Labyrinth (Vestibularapparat und Schnecke = Cochlea) eines Såugers. (Bei Fischen, Amphibien und Reptilien ist die untere Aussackung noch kurz, heiût statt Cochlea Lagena und enthålt eine Macula åhnlich wie der Sacculus)

18.7.2 Die Bogengånge registrieren Drehbeschleunigungen Die Bogengånge eines Labyrinths sind bogenfærmige, miteinander verbundene håutige Schlåuche (Kanåle), die mit Flçssigkeit (Endolymphe) gefçllt und in die Stræmungsmesser eingebaut sind. Beim Menschen hat ein Bogengang einen Durchmesser von 6 mm. Die drei Bogengånge eines Labyrinths stehen in den drei Raumrichtungen senkrecht zueinander. Zwei sind vertikal angeordnet, im Winkel von 908 gegeneinander versetzt. Der dritte Bogengang ist horizontal gelagert (Abb. 18.15). Nahe der Einmçndungsstelle zum gemeinsamen, zentralen Hohlraum, dem Utriculus, sind die Kanåle zu einer Ampulle erweitert. In diese Ampulle ragt ein kleiner Kamm (Crista) hinein, auf dem als Stræmungssensor ein Neuromast, also eine Gruppe von Haarsinneszellen, aufsitzt. Die Kinocilien und die reizempfindlichen Mikrovilli der Haarsinneszellen sind mit einer gallertigen Fahne, der Cupula, zu einer funktionellen Einheit zusammengefasst. Die Fahne der Cupula ist an ihren Råndern mit der Kanalwandung verklebt, ist aber beweglich und elastisch genug, um im Spiel bewegender Stræmungen leicht hin und her pendeln zu kænnen. Bewegende Kråfte gehen von der Endolymphe aus. Wird der Kopf ruckartig gedreht, und mit ihm der fest im Schådelknochen verankerte håutige Bogengang, so bleibt wåhrend des Andrehens ± d. h. in der Phase der positiven Beschleunigung ± die Endolymphe aufgrund ihrer Trågheit zurçck. Es kommt zu einer Bewegung der Flçssigkeitssåule relativ zur weggedrehten Kanalwand. Als Folge dieser Verschiebung drçckt die Flçssigkeitssåule von einer Seite auf die Cupula; auf ihrer anderen Seite entsteht ein Unterdruck: Die Cupula wird ausgebeult (Abb. 18.16). Beim Abbremsen einer Drehbewegung ± in der Phase der negativen Beschleunigung ± kommt es zur Ablenkung der Cupula in Gegenrichtung. Wir kommen auf dieses Phånomen bald nochmals zurçck, wenn wir wåhrend des Drehens auch noch auf die Augen schau-

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Abb. 18.16. Horizontaler Bogengang in Funktion. In den Kopf hinein vergræûert ist einer der beiden horizontalen Bogengånge. (Nach Thews et al.)

en. Da gibt es Interessantes zu beobachten (s. Kap. 18.8). So plausibel die Physik der Bogengånge nach diesen Basisçberlegungen zu sein scheint, so kompliziert werden die Phånomene, wenn man fachkundig an die Dinge herangeht. Die Stræmungsverhåltnisse in den von den Cupulae unterbrochenen Kanålen sind schwer zu berechnen und die Ebene aller drei Bogengånge (aller sechs, wenn man die Labyrinthe beider Kærperseiten betrachtet) ist ja verschieden und bei Bewegungen des Kopfes nicht konstant. 18.7.3 Die Maculaorgane: Sie eignen sich zur Ermittlung geradliniger Linearbeschleunigungen Im zentralen Raum des Labyrinths, in den alle drei Bogengånge einmçnden, ist auf dem Boden

Abb. 18.17. Macula utriculi als Organ zur Wahrnehmung einer horizontalen Linearbeschleunigung

ein Feld von etwa einem Millimeter Durchmesser mit regelmåûig angeordneten Haarsinneszellen besetzt. Dieses Feld heiût Macula utriculi (Macula des Utrikels). Die Mikrovilli dieser Sinneszellen sind mit einer gallertigen Schicht abgedeckt. Auf der wabbeligen Masse dieser Deckschicht liegen Otokonien (Otolithen), das sind schwere Calcitkristalle (bei Nicht-Såugern meistens ein einheitlicher groûer Otolith). Bewegen wir unseren Kærper ruckartig nach vorne, bleibt die schwere und tråge Kristallmasse auf der wabbeligen Gallerte relativ zurçck. Den Kristallen wird der Boden unter den Fçûen weg-

18.7 Das Labyrinth des Innenohrs: Dreh- und Schwerkraft- und Gleichgewichtssinn Abb. 18.18. Schwerkraft- und Gleichgewichts-Wahrnehmungsorgane. Lage der Maculae im Kopf bei gerader und bei schråger Kopfhaltung. In den unteren Diagrammen zeigen die Pfeile an, in welcher Ablenkrichtung der Stereovilli die maximale Erregung gemessen wird

gezogen; die ¹Haarª-Schæpfe der Sinneszellen werden abgebogen (Abb. 18.17 u. 18.18). Maculae als Hærorgane. Bei Fischen kann ein spezifisch schwerer Otolith auf einer extrem wabbeligen Gallerte auch durch niederfrequente Schallwellen ins Zittern versetzt werden. Wasserschall dringt durch Haut und Knochen bis ins Innenohr.

Die anderen Maculae, die Maculae sacculi, sind bei der Wahrnehmung von Linearbeschleunigung jeglicher Richtung durchaus auch beteiligt. Der Einfachheit halber ziehen wir sie nur in die Betrachtung mit ein, wenn es um die Wahrnehmung der Schwerkraft und die Einstellung des Gleichgewichts geht. 18.7.4 Hauptfunktion der Maculaorgane ist die Ermittlung der Lotrechten, damit wir stets ins Gleichgewicht zurçckfinden Eine stets wirksame Linearbeschleunigung ist die Gravitationsbeschleunigung, die von der Erdmasse ausgeht. Sinnesorgane, welche die Rich-

tung der Erdbeschleunigung registrieren, werden in der Regel einem ¹Schweresinnª oder Schwerkraftsinn zugeordnet. Der Begriff ¹Schweresinnª ist zweideutig, der Begriff Schwerkraftsinn auch nicht eindeutig. Meistens meint das Wort ¹Schweresinnª einen Sinn, mit dessen Hilfe die Richtung der Schwerkraft, also die Lotrechte, ermittelt werden kann. ¹Schweresinnª kann aber auch die Fåhigkeit meinen, das Gewicht einer Last abzuschåtzen. Hierfçr zieht das Gehirn die Meldungen von Druckrezeptoren der Haut, von Muskelspindeln und von Sehnenorganen zurate.

Wird der Kopf schråg zur Horizontalen abgewinkelt, rutscht die beschwerte Gallertmasse çber der Macula des Utrikels schråg ab und die Mikrovilli werden abgebogen. Das Abrutschen wird von der Schwerkraft bewirkt. Daher eignen sich die Maculaorgane zur Ermittlung der Richtung der Schwerkraft (Lotrechten). Fçr die exakte Ermittlung der Lotrechten bei jeder beliebigen Raumlage des Kopfes stehen die Macula utriculi (Macula des Utrikels) beider Labyrinthe und die Macula sacculi (Macula des Såckleins) zur Verfçgung. In

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

der Normallage des Kopfes beim aufrechtstehenden Kærper sind die Maculae der Utrikel horizontal gelagert; die Maculae der Sacculi hången wie ein gerahmtes Bild senkrecht an der Wand (Abb. 18.18). Jede beliebige Kippung kann exakt registriert werden, wenn das Gehirn die Meldungen aller Maculae miteinander verrechnet. Gleichgewichtssinn. Man spricht vom Gleichgewichtssinn, weil die Meldungen der Maculae (und der Bogengånge) vom Gehirn unverzçglich verrechnet werden, um beim drohenden Verlust des Gleichgewichts çber Befehle an die Muskulatur Gegenreaktionen einzuleiten. Sie sollen uns wieder ins Lot bringen. Beim Menschen liegt der Schwerpunkt des Kærpers oberhalb der Hçftgelenke. Seine Haltung ist hæchst instabil; leicht geråt er ins Wanken und Stolpern. Allerhæchste Anforderungen an den Vestibularapparat werden auch bei Vægeln bei ihren Flugmanævern, bei Delphinen bei ihren Drehsprçngen und bei Fischen in turbulentem Wasser gestellt.

18.8 Einfluss der Dreh- und Gleichgewichtssinne auf das Sehen 18.8.1 Das Labyrinth hilft dem Auge in einer unruhigen Welt ein Bild in Ruhe betrachten zu kænnen Beobachtet man Tiere, oder seine eigene Erlebniswelt, kann man seltsame Dinge wahrnehmen: l

Tiere drehen, wie immer man ihren Kærper dreht und wendet, ihren Kopf ± wenn nur irgendmæglich ± in die Horizontale. Der menschliche Såugling macht das ebenso (Abb. 18.19).

l

Nach einem ausgiebigen Walzertanz scheint sich die Umwelt zu drehen.

l

Im kurvenden Flugzeug kippt der Horizont. Die gesehene Welt wird offensichtlich von einer mechanischen Kraft, der Fliehkraft, beeinflusst.

Abb. 18.19. Kopfstellreflex. Der Kopf und die Augåpfel werden nach Mæglichkeit horizontal gehalten, um eine Verdrehung des Bildes auf der Netzhaut zu vermeiden

Physiologischer Zweck der reflektorischen Waagrechtstellung des Kopfes ist der ¹Wunschª des Auges, das Bild auf der Retina mæglichst konstant zu halten. Nur wenn das Bild nicht dauernd hin und her pendelt und die råumlichen Beziehungen der Hauptelemente des Bildes sich nicht allzuschnell veråndern, kann das Bild gut ausgewertet werden. Vor allem aber werden bewegliche Objekte nur dann als beweglich erkannt, wenn die Hauptbildelemente der Umgebung in Ruhe sind. 18.8.2 Nichts als Schwindel: der vestibulåre Nystagmus und die Welt, die sich nach dem Tanze dreht Wir blicken unseren Mitreisenden in die Augen, wenn sie im fahrenden Zug aus dem Fenster sehen. Ihr Blick fixiert einen beliebig und meistens unbewusst ausgesuchten Bildpunkt. Interessante Bildelemente sollen in der Fovea centralis der Netzhaut, dem Ort des schårfsten Sehens, abgebildet bleiben. Um den Punkt im Auge zu behalten, bewegt sich der Augapfel langsam entgegen der Fahrtrichtung solange, bis der Punkt aus dem Ge-

18.8 Einfluss der Dreh- und Gleichgewichtssinne auf das Sehen

sichtsfeld verschwindet oder das Auslenkmaximum des Augapfels erreicht ist. Dann springt das Auge zurçck, erfasst einen neuen Bildpunkt und dreht sich wieder langsam entgegen der Fahrtrichtung. Diese Blickbewegungen ± langsames Hin, schnelles Zurçck ± heiûen Sakkaden oder Nystagmus. Sie dienen, ebenso wie die Horizontalstellung des Kopfes, dazu, das Bild auf der Retina mæglichst lange unbewegt zu halten, damit es in Ruhe ausgewertet werden kann. Solche kompensatorischen Augenbewegungen werden durch die Bildverschiebung auf der Retina selbst ausgelæst. Man spricht vom optokinetischen Nystagmus. Der Vestibularapparat ist hierbei nicht involviert, jedenfalls solange nicht, als man den Kopf ruhig hålt. Der Vestibularapparat kommt aber ins Spiel, wenn unser Kærper nicht mit gleichfærmiger, geradliniger Geschwindigkeit bewegt, sondern plætzlich beschleunigt oder gedreht wird ± oder wenn wir aktiv unseren Kopf bewegen. Kompensation bei aktiver Augenbewegung. Wenn wir nach eigenem Willen unsere Augen bewegen, ¹weiûª unser Gehirn von vornherein, dass eine Verschiebung des Retinabildes eintreten wird, eine Verschiebung, die gar nicht von einer bewegten Umwelt, sondern vom bewegten Auge herrçhrt. Das Gehirn ignoriert bzw. kompensiert diese Verschiebung. Kompensation bei (passiver) Drehung des Kopfes. Das visuelle Auswertsystem in unserem Gehirn låsst sich vom Drehsinn mitteilen, in welche Richtung unser Kopf gedreht wird. Ûber Befehle an die Zugmuskeln des Augapfels versucht das Wahrnehmungssystem, eine Verschiebung des Retinabildes zu vermeiden. Wenn dies nicht mehr gelingt, wird das von der Retina gelieferte Bild in der mentalen Welt des Sehens kompensatorisch zurechtgerçckt, um es als Abbild einer unbewegten Umwelt werten zu kænnen. Sitzt man auf dem Drehstuhl und låsst sich ± nicht allzu schnell ± im Kreise drehen, rollt man die Augen nach dem Muster des Nystagmus ±

langsam hin, rasch zurçck. Wir nehmen an, dass es sich um einen optokinetischen Nystagmus handelt. Nun schlieût man die Augen. Mit unserem Finger auf dem Augenlid spçren wir, wie die Augåpfel ihre Zick-Zack-Bewegungen noch einige Sekunden lang fortsetzen, obwohl das Auge kein Bild empfångt. Wir erspçren mit unseren Fingern den vestibulåren Nystagmus. Låsst man sich gleichfærmig weiterdrehen, wird die Endolymphe in den Bogengången bald mit gleicher Winkelgeschwindigkeit wie die Kanalwandung selbst rotieren. Die sperrige Cupula und die Reibung an der Kanalwand haben einen starken Mitnahmeeffekt. Schlieûlich, nach wenigen Sekunden Drehzeit, sind Endolymphe und Kanalwand gleichfærmig bewegt; die Cupula wird nicht weiter abgelenkt und kehrt aufgrund ihrer Elastizitåt in ihre Ausgangslage zurçck. Das Gefçhl, gedreht zu werden, schwåcht sich ab oder verschwindet ganz, und der vestibulåre Nystagmus kommt zum Stillstand. Wird dann der Drehstuhl plætzlich abgebremst, dreht sich die tråge Endolymphe im horizontalen Bogengang einen Moment lang in der bisherigen Richtung weiter, wåhrend der Kopf, und mit ihm die Wandung des Bogengangs, schon zum Stillstand gekommen ist. Die Cupula wird wieder abgelenkt, aber in entgegengesetzter Richtung als zuvor. Úffnet man nun die Augen, scheint sich die Welt rhythmisch in Gegenrichtung weiterzudrehen. Es ist die gesehene Welt, die sich scheinbar dreht! In Wirklichkeit sind es die Augen, die sich nystagmisch drehen ± blind den Pseudomeldungen der Bogengånge folgend im Bestreben, trotz (vermeintlicher) Drehung des Kærpers einen fixen Bildpunkt auf der Fovea centralis festzuhalten. Das optische Auswertsystem wiederum erwartet eine rhythmische Verschiebung des Bildes auf der Retina und dreht das innere Sehbild kompensatorisch in Gegenrichtung. Diese zentralnervæse Gegendrehung des inneren, im Kopf erzeugten Bildes sehen wir, glauben aber, es sei die gesehene Umwelt, die sich dreht. Der Schwindel hålt an, bis die Endolymphe der Bogengånge zur Ruhe gekommen ist.

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18 Mechanische Sinne I: Stræmungs-, Bewegungs-, Gleichgewichtssinne ± und manche mehr

18.8.3 Warum beim Blick aus dem kurvenden Flugzeug die Welt kippt Um bei jeder Kipp- und Drehbewegung des Kopfes oder der Augen das Bild auf der Retina in die richtige Lage rçcken zu kænnen, muss eine Waagrechte definiert werden, an der die Linie des Horizontes ausgerichtet werden kann. Eine Waagrechte ist definitionsgemåû eine Gerade, die senkrecht zur Lotrechten steht. Also eignen sich die Meldungen der Maculaorgane, um zuverlåssig die Horizontlinie festzulegen ± es sei denn, man setzt sich auf dem Karussell oder im Flugzeug unnatçrlich groûen Fliehkråften aus. Fliehkråfte zerren an den Otolithen der Maculae ebenso wie die Schwerkraft, nur in waagrechter statt in lotrechter Richtung. Fliehkraft und Schwerkraft mitteln sich zu einer Resultierenden. Diese wird vom Sinnessystem als Lotrechte missdeutet. Da nun aber der Horizont unserer Sehwelt im Winkel von 908 zur (vermeintlichen) Lotrechten gezogen wird, ist der gesehene Horizont gegençber dem echten Horizont gekippt. Je græûer die Winkelgeschwindigkeit des Flugzeuges, desto græûer die Fliehkraft; desto stårker ist der gesehene Horizont gekippt (Abb. 18.20).

Abb. 18.20. Scheinbares Kippen des Horizontes im kurvenden Flugzeug. Auûer der Schwerkraft zerrt auch die Fliehkraft an den Otokonien auf der Gallertmasse der Maculae. Der Einfachheit halber sind nur die normalerweise horizontal gelagerten Maculae utriculi berçcksichtigt; sie sind links und rechts des Kopfes herausvergræûert. Die Achsenrichtung der Stereovilli (rote Bçrste) definiert die Lotrechte in unserer Wahrnehmung. Diese Achsenrichtung der Villi ist parallel zur Resultierenden zwischen Flieh- und Schwerkraft. Als Horizontlinie definiert unser Wahrnehmungssystem eine Gerade im 908-Winkel zu dieser vermeintlichen Lotrechten

18.8 Einfluss der Dreh- und Gleichgewichtssinne auf das Sehen

Zusammenfassung des Kapitels 18 Mechanorezeptoren werden nicht nur fçr erlebnisintensive Sinnesleistungen wie Tastsinn und Gehær eingesetzt. Sie vermitteln als Proprio- und Enterorezeptoren viele Informationen çber unseren Kærper, die nur mit unauffålligen oder unbewussten Wahrnehmungen verbunden sind. Mechanorezeptoren registrieren beispielsweise den Blutdruck, die Winkelstellung unserer Gliedmaûen (Gelenksinn), melden Druck- und Zugspannungen und damit auch die Schwere von Lasten (Druck: Tastsinn; Zugspannungen: Muskelspindeln, Sehnenorgane, Gelenksinn). Groûe Funktionsvielfalt wird auch bei Wirbellosen gefunden. Beweglich verankerte, haarfærmige Cuticulastrukturen der Arthropoden dienen als Tastsensillen, um die Stellung der Kærperteile gegeneinander zu registrieren, oder als Schwerkraftrezeptoren. Bei Nicht-Arthropoden werden hierzu oftmals Cilien eingesetzt, die in Statocysten die schwerkraftbedingte Ablenkung eines schweren Kærpers registrieren. Haarsensillen passender Konstruktion werden von Insekten auch eingesetzt zur Wahrnehmung von Luftstræmungen, der Fluggeschwindigkeit, von Vibrationen und Schall. Andere, in die Cuticula eingelassene Sensillen reagieren auf Verwindungen der Cuticula (z. B. campaniforme Sensillen), dienen der Fliege als Torsionsmesser im Flug und verraten als Spaltsensillen der Spinne das im Netz zappelnde Insekt. Bei Wirbeltieren wird die ¹Haarsinneszelleª besonders vielseitig eingesetzt. Ihr apikaler Haarbesatz besteht aus einem Kinocilium und vielen Stereovilli, die mit mechanosensitiven Ionenkanålen bestçckt sind. Haarsensillen ha-

ben eine Richtcharakteristik; sie beantworten je nach Einfallsrichtung des Reizes die Scherung der Stereovilli mit einer Senkung oder Erhæhung der Frequenz unablåssig losgeschickter Spikes. Haarsensillen sind die reizaufnehmenden Elemente der Seitenlinien, einem Sinnesorgan, mit dem Fische und im Wasser lebende Amphibien Wasserstræmungen, Druckwellen und niederfrequenten Schall registrieren. Haarsinneszellen finden sich in groûer Zahl in unserem Innenohr, dem Vestibularorgan, das drei Sinnesorgane enthålt: 1. Die Bogengånge, Sinn fçr Drehbeschleunigung. In den Ampullen der Bogengånge registrieren Haarsinneszellen die durch Drehbeschleunigungen des Kopfes entstehenden Relativbewegungen der Endolymphe. 2. Die Maculaorgane. Hier erfassen die mit einer gallertigen Masse und Calcitkristallen bedeckten Haarsinneszellen (a) Linearbeschleunigungen, die unser Kærper bei einer beschleunigten Vorwårtsbewegung erfåhrt, und sie registrieren (b) die Richtung der Erdbeschleunigung (Schwerkraft). In dieser Funktion vermitteln die Maculaorgane den Gleichgewichtssinn. Die Sinne der Bogengånge und Maculaorgane arbeiten mit dem Sehsinn zusammen, was sich im Sonderfall als Sinneståuschung bemerkbar macht (z. B. Kippen des gesehenen Horizonts beim Kurvenflug des Flugzeugs). 3. Dem dritten mit Haarsinneszellen ausgestatteten Sinnesorgan des Innenohrs, dem Gehærorgan, ist das folgende Kapitel 19 gewidmet.

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19 Das Gehær

Unser Gehær vermittelt nicht nur reichhaltige Information, die aus unserer Umwelt oder dem Munde unseres Gespråchspartners unser Ohr erreicht. Schall, Tæne, Klånge, Melodien und Rhythmen vermitteln auch vielerlei Empfindungen und beleben unsere Gefçhlswelt. Bevor wir ins Innen-

ohr hineinschauen, lassen wir uns erst vom Physiker und Wahrnehmungspsychologen sagen, was er çber Hæren und Gehærtes zu sagen weiû (Box K 19.1); denn dann wissen wir erst, was die Physiologie alles erklåren sollte.

BOX K 19.1

Zur Physik und Biophysik von Schall, Ton und Hæren Begriffe der Akustik, der Physiologie und der Wahrnehmungspsychologie çberlappen sich Begriffe wie Ton, Klang, Geråusch und Lautstårke entstammen der mentalen Welt unserer Empfindung, unserer inneren Hærwelt. Ist diese Hærwelt gemeint, verwendet man Adjektive wie auditorisch oder auditiv. Begriffe wie Frequenz, Schalldruck, Schallintensitåt und Dezibel entstammen der Welt der Physik. Hier ist das Adjektiv akustisch angebracht. Im Alltag werden die Begriffe aber keinesfalls sauber getrennt gebraucht, auch nicht in den Wissenschaften. Tonhæhe meint in der Regel sowohl den gehærten Ton wie die physikalisch messbare Frequenz einer Luftdruckschwingung, die im Regelfall den gehærten Ton hervorruft. So spricht man von einem ¹Ton von 440 Hzª. Dass diese Vermischung zweier Welten, der physikalischen Welt der Schwingungen und der mentalen Welt des Hærens, nur selten zu Missverståndnissen fçhrt, rçhrt daher, dass es nachvollziehbare und leidlich zuverlåssige Zuordnungen zwischen beiden Welten gibt. Luftschwingungen

der Frequenz 440 Hz erzeugen eben bei intaktem Gehær zuverlåssig einen Ton, dem man den Namen Kammerton a gab. Dass im Prinzip Hærwelt und physikalische Akustik getrennte Welten sind, zeigen Phantomstimmen, die mancher psychisch Kranke hært. Bisweilen allerdings hært auch der gesunde Mensch Tæne råtselhafter physikalischer Herkunft, so beispielsweise beim Glockenklang und Orgelspiel. Solche Tæne råtselhafter Herkunft sind fçr den Physiologen, den Akustiker und den Musiker gleichermaûen interessant. Ein einfaches physikalisches Modell soll helfen, grundlegende Schallparameter zu verstehen und zu definieren Gegeben sei eine Ræhre, an deren einem Ende ein beweglicher Stempel (oder die Membran eines Lautsprechers) die Luft in der Ræhre in raschem aber regelmåûigem Tempo durch Vorwårtsstoûen und Rçckwårtsschwingen abwechselnd komprimiert und wieder verdçnnt. So erzeugt der Stempel eine Folge von Kompressions- und Verdçnnungswellen (Abb. 19.1). Bei jedem Stoû nach vorne gibt der Stempel den Luftmolekçlen einen Impuls mit. Die Luftmolekçle fliegen ein "

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19 Das Gehær

BOX K 19.1 (Fortsetzung)

Eine Luftdruckwelle mit Verdichtungs- und Verdçnnungszone erzeugt eine Schwingungsperiode mit Hin- und Rçckbewegung des Trommelfells. Eine Schwingung wird gekennzeichnet durch ihre Frequenz und ihre Amplitude, d. h. ihre Schwingungsweite. Eine Frequenz von 1000 Hz bedeutet, dass das Trommelfell pro Sekunde 1000-mal vor und zurçck schwingt. Frequenzeinheit: 1 Hz = 1 Schwingung/s. Schwingungsdauer: Bei f = 5 Hz ist die Schwingungsdauer T =1/5 s. Generell gilt: f = 1/T und umgekehrt. Die physikalischen Eigenschaften der Trommelfellmembran sind ein erstes Filtersystem, welches den Hærbereich eingrenzt. Zur Ûbertragung hoher Schallfrequenzen muss ein Schallçbertragungssystem massearm und steif sein. Die Trommelfellmembran ist dçnn und straff gespannt.

Abb. 19.1. Schallwellen. Erzeugung durch einen beweglichen Stempel und Pendelbewegungen einzelner Luftmolekçle

Stçck voran, stoûen auf Nachbarn, çbergeben ihnen den Impuls. Bewegt durch den Stoû fliegt das Nachbarmolekçl selbst ein Stçck voran und stæût auf das nåchste Molekçl. Auf diese Weise pflanzt sich die Verdichtungswelle und mit ihr der Impulsstrom fort. Hinter dem Ausgang des Rohrs befindet sich eine bewegliche Membran, nennen wir sie Trommelfell. Immer wenn eine Verdichtungswelle auf die Membran prallt, çbergeben die Molekçle ihren Impuls der Membran. Die Gesamtheit der stoûenden Luftmolekçle erzeugt Druck; die Membran wird ausgebeult. Der Druckzone folgt eine Verdçnnungszone, d. h. eine Zone erniedrigten Luftdrucks. Die Membran schwingt zurçck. Die Membran reagiert auf Luftwechseldruck = Schall, indem sie hin- und herschwingt.

Fortbewegung einer Schallwelle. Man kænnte meinen, die Molekçle, denen wir mit unserem Stempel einen Stoû versetzt haben, seien auch die, die etwas spåter am anderen Rohrende auf die Membran prallen. Das ist nicht so. Wenn ein Molekçl an seinen Nachbarn gestoûen ist und ihm den Impuls weitergegeben hat, schwingt es wie ein Pendel zurçck bis es durch den nåchsten Stoû wieder nach vorn geworfen wird. Die Welle der Verdichtung als solche, nicht aber die Schar der Luftmolekçle, breitet sich als elastische Longitudinalwelle aus. (Dass solche Wellen auch mal von einem drehenden Geråuscherzeuger ausgehen und sich kugelfærmig ausbreiten kænnen, beweist der penetrant singende Ton des Zahnbohrers.) Schall(-Ausbreitungs)-Geschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit). Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druckwelle ist eine Funktion des tragenden Mediums (in gewissem Ausmaû auch der Wellenlånge eines Tons und der Temperatur des Mediums, was wir hier vernachlåssi" gen wollen):

19 Das Gehær

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BOX K 19.1 (Fortsetzung) l l l

Luft: 330 m/s Wasser: 1480 m/s Aluminium: 5000 m/s

Schallschnelle. Das Beispiel eines metallenen Schalltrågers zeigt schon, dass es nicht das einzelne Atom oder Molekçl sein kann, das in die Ferne fliegt. Das einzelne Aluminiumatom oder Luftmolekçl pendelt hin und her. Und wie beim schwingenden Pendel ist seine augenblickliche Geschwindigkeit in der Mitte zwischen den Wendepunkten seiner Pendelbahn am græûten. Diese Augenblicksgeschwindigkeit der hin und her schwingenden Luftmolekçle ist die Schallschnelle (Abb. 19.1). Ein besserer, weil weniger der Gefahr von Missverståndnissen ausgesetzt, ist der Ausdruck Partikelbeschleunigung. Schallschnelle-Empfånger versus Schallwechseldruck-Empfånger. Zoologen unterscheiden zwischen Schallschnelle- und Schallwechseldruck-Empfångern. Als Schallschnelle-Empfånger kommen Strukturen in Betracht, die extrem leicht hin und her schwingen kænnen gemeinsam mit einer Schar von Luftmolekçlen. Solche Strukturen kænnen Cuticularhaare (s. Abb. 18.4) sein oder Antennen, deren Basis an feinsten Gummifåden aufgehångt ist. Die Mehrzahl aller Hærorgane, darunter auch die Tympanalorgane der Insekten und unser Ohr, sind Schallwechseldruck-Empfånger. Sie sind daran zu erkennen, dass die Schallenergie wie am Ende unseres Modellrohrs mit einer Membran, einem Trommelfell (Tympanum), aufgefangen wird. Frequenz ± Tonhæhe. Wir kænnen in unserem Modellrohr den Stempel langsam oder rasch hin und her schieben. Entsprechend schicken wir wenige Druckpulse pro Zeiteinheit auf den Weg oder viele. Im Mindestfall schicken wir 16 Druckpulse pro Sekunde auf den Weg, im zweiten Fall 1000, im dritten 16 000. Bei gleichfærmiger Arbeit erzeugen wir gleichfærmige Sinuswellen. Wåre die Membran am Rohrende unser Trommelfell, hærten wir bei 16 Hz einen tiefen,

vibrierenden Brummton, bei 1000 Hz einen hohen, bei 16 000 Hz (16 000 Schwingungen/s = 16 kHz) einen sehr hohen, kaum mehr wahrnehmbaren Piepston. Schwingungen unterhalb 16 Hz (Infraschall) erzeugen allenfalls noch schwer wahrnehmbare Einzellaute oder mit der Haut tastbare Vibrationen, aber keinen kontinuierlichen Ton mehr. Das Hæren von Ultraschall jenseits von 20 kHz ist einigen Tieren (u.a. Spitzmåusen, Fledermåusen, Delphinen) vorbehalten. Die menschliche Sprache enthålt çberwiegend tiefe Schallfrequenzen. Die Stimmbånder des Mannes senden auf Frequenzen ab 120 Hz, die Stimmbånder der Frauen auf Frequenzen ab 240 Hz. Freilich sprechen wir keinen Ton, auch wenn wir nicht gerade schweigsam sind, sondern erzeugen Geråusche, bestenfalls Klånge; und das Spektrum der Frequenzen in der Sprache reicht çber 3000 Hz hinaus. Druckamplitude ± Tonstårke. Bei gleicher Frequenz, sagen wir 1000 Hz, stoûen wir den Stempel jeweils nur ein kleines Stçckchen oder tief ins Rohr. Im ersten Fall bei geringer Schwingungsweite ist die Verdichtung gering, im zweiten Fall bei hoher Schwingungsamplitude schieben wir viele Luftmolekçle zusammen, die Verdichtung (= Druckamplitude) ist hoch. Bei gleicher Frequenz hæren wir bei geringen Druckamplituden einen leisen, bei hohen Druckamplituden einen lauten Ton gleicher Tonhæhe. Die Druckamplitude ist die Differenz zwischen dem hæchsten und dem tiefsten Luftdruck eines Wellenzugs. Die Schwingungsamplituden, die unser Trommelfell vollfçhrt, sind åuûerst gering und kænnen im Bereich von 3 kHz kleiner als der Durchmesser eines Luftmolekçls sein. Tæne und Klånge. Auch eine ¹reinª singende menschliche Stimme und ebenso ein Musikinstrument erzeugen in der Regel keine reinen Sinusschwingungen, sondern eine Summe sich çberlagernder Sinuswellen, die wir als Klang empfinden, sofern das Ûberlagerungsmuster "

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BOX K 19.1 (Fortsetzung)

nicht allzu chaotisch wird. Ein angenehmer Ton kann stets durch Ûberlagerung von Sinusschwingungen einer bestimmten Grundfrequenz (z. B. 440 Hz) und ihrer ganzzahligen Vielfachen, den Oberschwingungen oder Obertænen dargestellt werden (hier 440 Hz, 2 ´ 440 Hz, 4 ´ 440 Hz etc.; Fourierreihe). Die Begriffe Grundschwingung (oder Grundton) und Oberschwingung (oder Oberton) werden mehr und mehr durch den Begriff Teilton oder den Begriff der Harmonischen ersetzt: l Grundton = 1. Harmonische l 1. Oberton = 2. Harmonische l 2. Oberton = 3. Harmonische, usf. Die im Frequenzgemisch enthaltene Schwingung mit der niedrigsten Frequenz bestimmt die gehærte Tonhæhe, sofern diese Grundschwingung nicht schwåcher als die Oberschwingungen ist. Die Stårke, mit der die einzelnen Oberschwingungen (Teiltæne) vertreten sind, bestimmt die Klangfarbe. Der Kammerton ¹aª (440 Hz) des Kammersångers klingt anders als der gleich hohe Ton der Flæte oder der Geige. Harmonische Klånge und Intervalle. Dem altgriechischen Mathematiker Pythagoras und seinen Schçlern wird die Erkenntnis zugeschrieben, dass zwei gleichzeitig angeschlagene, gleichgespannte Saiten dann einen angenehmen, harmonischen Klang erzeugen, wenn ihre Lången im Verhåltnis kleiner ganzer Zahlen zueinander stehen. Eine Halbierung der Saitenlånge erzeugt einen Ton, der um eine Oktave hæher liegt.

Fçr eine effektive Unterteilung muss die Saite nicht mit der Beiûzange getrennt werden; es gençgt der aufgedrçckte Finger des Spielers. Man hært einen Klang, wenn eine ungeteilte und eine geteilte Saite gleichzeitig angeschlagen werden; man hært ein Intervall, wenn sie kurz nacheinander angeschlagen werden. Der franzæsische Geistliche und Mathematiker Mersenne (1588±1642) erkannte, dass bei einem um eine Oktave erhæhten Ton die Saite mit doppelter Frequenz schwingt. Die Oktave entspricht also dem 1. Oberton in einem Klang. l Wellenlånge des Grundtons = 2 ´ Saitenlånge l Wellenlånge des 1. Obertons = 1 ´ Saitenlånge ± 1. Oktave l Wellenlånge des 2. Obertons = 1/2 Saitenlånge ± 2. Oktave l Wellenlånge des 3. Obertons = 1/4 Saitenlånge ± 3. Oktave Tonleitern. In vielen Kulturen, so auch im alten Øgypten, ist die Oktave siebenfach unterteilt worden, ebenso in der Tonleiter des Pythagoras, welche die Basis der europåischen Musik bildet. Die Tonfolge ist uns bekannt: Beispiel C-Dur Tonleiter: l l l l l l

Tabelle 19.1. Pythagoråische musikalische Intervalle Saitenunterteilung

es erklingt die

Beispiel

1:2 2:3 3:4 4:5 8 : 9 (dissonante)

Oktave Quinte Quarte (groûe) Terz groûe Sekunde

c±c' c±g c±f c±e

l l

c' = 264 Hz d' = 9/8 ´ 264 Hz = 297 Hz e' = 10/9 ´ 297 Hz = 330 Hz f' = 16/15 ´ 330 Hz = 352 Hz g' = 9/8 ´ 352 Hz = 396 Hz a' = 10/9 ´ 396 Hz = 440 Hz; Kammerton h' = 9/8 ´ 440 Hz = 495 Hz c''= 16/15 ´ 495 Hz = 528 Hz = 2 ´ 264 Hz = Oktave

"

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BOX K 19.1 (Fortsetzung) Temperierung. Mit dem Ganztonschritt von d' nach e' gelangt man zu zwei verschiedenen Tænen, je nachdem ob man das Frequenzverhåltnis 9/8 oder 10/9 wåhlt. Der Ton e' hat in C-Dur 10/9 ´ 297 Hz = 330 Hz; in D-Dur aber 9/8 ´ 297 Hz = 289,1 Hz und klingt entsprechend tiefer. Ist ein Instrument in natçrlichem C-Dur gestimmt, kann man darauf kein D-Dur spielen. Man hat verschiedene Mæglichkeiten eines Ausgleichs entwickelt, so dass innerhalb eines Stçckes moduliert und in andere Tonarten transponiert werden kann. Die bekannteste Læsung ist die wohltemperierte Stimmung. In ihr sind alle Ganzund Halbtonschritte gleich. In der heute gebråuchlichen gleichschwebenden Temperatur wird der Oktavenraum in zwælf gleiche Tonabstånde geteilt. Dieses chromatische Zwælftonsystem erlaubt die Transposition einer Melodie in jede andere Tonart, nimmt andererseits ein zwar konstantes aber unreines Verhåltnis von 1 : 1,0594 (1,0594 = zwælfte Wurzel von zwei) zwischen Nachbartænen in Kauf. Kombinationstæne und virtuelle Tæne. Keineswegs alle gehærten Teiltæne eines Klangs sind im Spektrum der physikalischen Schwingungen des Schalles repråsentiert. Zum einen kann unser Gehær eine physikalisch nicht vorhandene Grundschwingung aus dem Gedåchtnis hinzufçgen. Das Telefon çbertrågt nur Frequenzen oberhalb 300 Hz. Die in unserer Sprache enthaltenen tieferen Frequenzen (beim Mann 120 Hz, bei der Frau 240 Hz) werden mehr oder weniger gut hinzugedichtet. Zum anderen kænnen durch Ûberlagerung mehrerer Tæne bisweilen in unserem Gehær additive Figuren entstehen, die sich periodisch wiederholen. Dann hært man eine Tonhæhe, fçr die es keinen Grundton gibt (Kombinationston von Orgelpfeifen). Bei der Hæhe solcher Kombinationstæne kommt es auf die Periodizitåt der Schwebefiguren an. Darçber hinaus gibt es Tæne, bei denen man nicht einmal eine Figurenperiodizitåt findet, die aber dennoch nicht reine Illusion sind. Solche virtuellen Tæne repråsentieren bestimmte mathematische Beziehungen der Teiltæne untereinander, die dem Ohr helfen, eine Schallquelle zu identifizieren (Terhardt 1989).

Dissonanzen erklingen nach H. von Helmholtz, wenn zwischen den Oberschwingungen Schwebungen entstehen. Geråusche, Rascheln, Knall etc. werden von Schallereignissen hervorgerufen, bei denen die physikalischen Messinstrumente nicht nur unregelmåûige Schwingungsmuster, sondern mehr

noch unregelmåûige Schalldruckschwankungen registrieren. Skalen der Lautstårke. Wir hatten gesagt, dass die Druckamplitude P, d. h. die Differenz zwischen dem hæchsten und tiefsten Luftdruck einer Druckwelle, die gehærte Lautstårke bestimmt. Diese Aussage muss in mehrfacher Hinsicht pråzisiert und ergånzt werden. Bei einem gegebenen Ton sind die Druckmaxima der einzelnen Wellenberge gleich hoch. Diese Druckmaxima sind es, welche die Auslenkmaxima des Trommelfells bestimmen. Druck wird im SI-System in N/m2 = Pascal (Pa) angegeben. Wenn man nun die gehærte Lautstårke in Beziehung setzen will zum physikalischen Schalldruck in Pa, so ergeben sich zwei Probleme: 1. Die empfundene Lautstårke ist keine lineare Funktion des Schalldrucks. 2. Die gehærte Lautstårke ist nicht ausschlieûlich Druck-, sondern auch frequenzabhångig. Schallpegel werden in einer Vergleichsmessung quantifiziert und in einer logarithmischen Dezibel-Skala angegeben Um beispielsweise fçr Lårmschutzmaûnahmen objektive Zahlenwerte in der Hand zu haben, ermittelt man den Schalldruckpegel einer Schallquelle. Der Begriff Pegel sagt aus, dass der abgestrahlte Schalldruck, der geprçft werden soll, ins Verhåltnis gesetzt wird zu einem normierten Standardschalldruck. Dieser Standarddruck wird mit 1000 Hz erzeugt und betrågt vereinbarungsgemåû 2 ´ 10±5 Pa. Er repråsentiert die untere Hærschwelle eines empfindlichen Ohrs. Allein schon wegen des groûen Umfangs der hærbaren Schalldrçcke hat es sich als zweckmåûig herausgestellt, zur Quantifizierung çberschwelliger Drçcke eine logarithmische Skala zu verwenden. Bei der Korrelation zwischen dem physikalischen Schalldruckpegel und der gehærten Lautstårke kommen die Weber-Fechner-Beziehungen zur Geltung (s. Kap. 15). Schalldruckpegel werden in Dezi-Bel (dB) angegeben. "

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19 Das Gehær

BOX 19.1 (Fortsetzung)

Man misst den Lårmpegel z. B. am Straûenrand und setzt ihn ins Verhåltnis zum normierten Vergleichspegel des Messgeråtes. Den erhaltenen Quotienten logarithmiert man dekadisch und multipliziert den Wert mit 20. Schalldruckpegel = Sound Pressure Level SPL einer Schallquelle: SPL = 20 ´ log (DPx /P0); in dB. Praktisch bedeutsam sind Werte zwischen 0 und 120 dB. Logarithmische Skala bedeutet, dass sich hinter wenigen Dezibel Zunahme eine enorme Zunahme des realen Lårmpegels verbirgt (Tabelle 19.2). Eine Steigerung oder Minderung des Schalldrucks um 20 dB bedeutet eine Steigerung oder Minderung des Schalldrucks um eine Zehnerpotenz. Steigt der Schalldruck um 80 dB, bedeutet dies eine Zunahme um 80/20-Zehnerpotenzen, also um den Faktor 10 000. Tabelle 19.2. Lautstårke von Schallquellen Schallquelle Bezugsschalldruck mittlere Hærschwelle bei 1000 Hz Klavier piano-pianissimo bei 1000 Hz leises Gespråch normales Gespråch Straûenlårm, fortissimo Presslufthammer, Techno-Sound Schuss, naher Donner Dçsentriebwerk (åltere Maschinen)

Schallpegel in dB 0 3

Faktor 1 1,4

30 40 60 80 100±135

100 1000 10000 100000

120 140

1 Million 10 Millionen

Unter Berçcksichtigung der Frequenzabhångigkeit unserer subjektiven Lautstårkeempfindung kommt man zur dB(A)- oder Phon-Skala. Eine wichtige Messkurve ist die Hærschwellen-Isophone

In der Hærprçfung (Audiometrie) benutzt man ein halb physikalisches, halb physiologisches Verfahren, um Lautstårken quantitativ angeben zu kænnen und um zu prçfen, wie gut man noch (hohe) Tæne wahrnimmt. Denn unser Ohr ist bei verschiedenen Tonhæhen nicht gleich empfindlich. Das Verfahren sei fçr die Ermittlung der Hærschwellen-Isophone beschrieben. Ein elektronisches Tonaudiometer liefert çber einen Kopfhærer reine Sinustæne. Als Standardton wird ein Ton von 1000 Hz gewåhlt. Ihn stellt man auf den Schwellen-Schalldruck P0 (ca. 2 ´ 10±5 Pa) ein, bei dem der Ton gerade eben deutlich wahrgenommen wird. Dann wird der zu prçfende hæhere oder tiefere Ton ausgespielt und sein Schalldruck Px von Null beginnend solange hochgedreht, bis auch er gerade eben wahrgenommen wird. Hat man so den hærbaren Bereich zwischen den Grenzfrequenzen 16 Hz und ca. 16 000 Hz abgetastet, hat man die Hærschwellen-Isophone fçr die verschiedenen Tonhæhen bestimmt. In einer erweiterten Audiometrie wird im nåchsten Durchlauf der Vergleichston lauter eingestellt (z. B. ¹doppelt so lautª als der Schwellenton) und die Messreihe wird durch das ganze Tonspektrum wiederholt. Jeder Prçfton wird solange reguliert, bis er gleich laut empfunden wird wie der Referenzton von 1000 Hz. Man erhålt auf diese Weise eine Isophonen-Schar (Abb. 19.2). Im graphischen Diagramm kann man die Ordinate nun in verschiedener Weise skalieren: in Pa, in dB, oder in einer dritten Skala, welche die Frequenzabhångigkeit so umformt, dass aus den kurvigen Isophonen mehr oder weniger brave Geraden werden. Diese umgeformte Skala erhålt, je nach der Verfahrensweise des Umformens, die Bezeichnung dB(A) oder Phon. [Zwischen dB(A) und Phon sind die Unterschiede gering und nur fçr Fachleute von Interesse]. Bei 1000 Hz stimmen çbrigens (per definitionem) Phon- und dB-Werte çberein (Abb. 19.2). Ein Dçsentriebwerk erzeugt beim Ton von 1000 Hz einen Lårm von 140 dB = 140 dB(A) = 140 Phon. "

19.1 Unser Gehær: seine Bedeutung und unglaubliche Empfindlichkeit

BOX K 19.1 (Fortsetzung) Es sind noch zwei weitere Maûsysteme im Gebrauch, eine rein wahrnehmungspsychologische (Son) und eine rein physikalische (Schallintensitåt) l Son. Der Versuch, eine rein wahrnehmungspsycholo-

gische Lautheits-Skala einzufçhren, hat Praktiker offenbar wenig çberzeugt. Beim Son wird angegeben, ob ein Laut doppelt, dreifach, vierfach etc. so laut gehært wird wie ein Vergleichslaut von 1000 Hz und 40 Phon Lautstårke.

l Schallintensitåt = Schallstårke. Hier wird nicht ange-

geben, wieviel Druck in Pa auf das Trommelfell wirkt, sondern wieviel Energie durchs Trommelfell hindurchtritt und ins Innenohr weitergegeben wird. Schallintensitåt in diesem Sinn wird in Watt/m2 oder Watt/cm2 angegeben (cm2 statt m2 deshalb, weil die Flåche des Trommelfells ca. 1 cm2 betrågt). Bei der Messung von Schallintensitåten wird die unglaubliche Empfindlichkeit unseres Gehærs deutlich. Schallstårke in W/m2 kann auch auf den Ultraschallempfang der Fledermåuse und Delphine, die uns ihre subjektive Lautstårkeempfindung nicht bereitwillig und leicht verståndlich mitteilen, angewandt werden.

Abb. 19.2. Isophone, Kurven gleicher gehærter Lautstårke bei verschiedenen Tonhæhen

19.1 Unser Gehær: seine Bedeutung und unglaubliche Empfindlichkeit 19.1.1 Das Gehær vermittelt sprachliche Kommunikation Nach dem Auge vermittelt das Gehær die detailreichsten Informationen çber unsere Umwelt.

Schall ermæglicht auch im optischen Dickicht eines Urwaldes Kommunikation çber groûe Distanzen. Seine çberragende Bedeutung gewinnt das Gehær indes beim Menschen durch seine Rolle bei der sprachlichen Kommunikation. Der Taube ist, wenn ihm nicht mçhsam alternative Mæglichkeiten der Kommunikation erschlossen werden, weitgehend sozial isoliert ± und er bleibt selbst

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19 Das Gehær

stumm. Aber nicht nur fçr die sprachliche Kommunikation ist das Gehær von elementarer Bedeutung: Auch Musik vermittelt Gefçhle und Erlebnisse, und låsst uns, soweit dies çberhaupt mæglich ist, am Innenleben anderer teilhaben. Zum Unterschied von Sprache wirkt Musik nicht (nur) çber ihren Symbolgehalt, sondern unmittelbarer auf unsere innere Erlebniswelt. Sprachliche (oder der Musik åhnliche) Kommunikationsformen wird man mutmaûlich auch Delphinen und Walen zubilligen mçssen. Ihr Beispiel macht deutlich, wie schwer es ist, eine Sprache çberhaupt als solche zu erkennen, wenn uns die symbolische Bedeutung von Lauten verschlossen ist oder die Laute nicht unsere eigene Empfindungswelt aktivieren. 19.1.2 Die Empfindlichkeit des Gehærs fçr Lautstårken ist bis an die Grenze des Sinnvollen gesteigert Die Schalldruckamplituden, d. h. die Amplituden der periodisch auf das Trommelfell einfallenden Luftdruckschwankungen, sind in der Nåhe der Hærschwellen auûerordentlich gering, etwa das 10±10fache des Atmosphårendrucks. Wåre unser Gehær geringfçgig empfindlicher, wçrden wir thermisches Rauschen hæren und in einem Meer von Geråuschen versinken. Im empfindlichsten Frequenzbereich um 3000 Hz, den das brçllende Baby weidlich zu nutzen weiû, ruft bereits ein Energiestrom von 0,5 ´ 10±16 Watt, der auf die Flåche von 1 cm2 des Trommelfells trifft, einen wahrnehmbaren Ton hervor. Man hat kalkuliert, dass hierbei die Flçssigkeit in den Gången des Innenohrs mit Amplituden schwingt, deren Græûe geringer ist als der Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Bei Haarsinneszellen, wie wir sie im Innenohr finden und die letztendlich den Reiz aufnehmen, læst bei der Hærschwelle eine Abbiegung der Stereovilli von 0,0038 schon eine çberschwellige Ønderung des Membranpotentials aus. Dies entspricht der Ablenkung der Eiffelturmspitze um Daumenbreite. (Die echte Eiffelturmspitze schwankt mit meterweiten Amplituden.)

19.1.3 Auch das Vermægen, Tonhæhen zu unterscheiden, ist erstaunlich gut Das geschulte Ohr des Musikers vermag Frequenzunterschiede von ca. 0,1 bis 0,3% zu unterscheiden, sofern beide Tæne kurz nacheinander zum Vergleich angeboten werden. Ein gesundes, empfindliches Ohr sollte also in der Lage sein, im wiederholten Test 1003 und 1000 Hz oder gar 1001 von 1000 Hz statistisch signifikant als verschieden wahrzunehmen. Unterstellt man, dass gemåû einer logarithmischen Kennlinie das prozentuale Unterscheidungsvermægen çber den ganzen Frequenzbereich bis 16 000 Hz gleich ist, kann man etwa 530 bis 1600 verschiedene Tonhæhen unterscheiden. Auch das geschulte Ohr kann bei diesen geringen Unterschieden von 0,1 ± 0,3% aber noch nicht erkennen, welcher der beiden nacheinander gehærten Tæne der hæhere ist. Bei gleichzeitigem Erklingen zweier eng benachbarten Tæne wird ein Mittelton gehært. Bei einer Differenz von einer Terz ist eine sichere Unterscheidung auch bei simultanem Angebot der Tæne mæglich.

19.1.4 Beim Hæren mit zwei Ohren werden geringste Intensitåts- und Laufzeitunterschiede wahrgenommen Schallwellen, die von einer seitlichen Schallquelle ausgesandt werden, erreichen das eine Ohr frçher und mit hæherem Schalldruck als das andere. Das Gehær des Menschen wertet zur Ortung einer Schallquelle Unterschiede im Schallpegel von 1 dB und Laufzeitdifferenzen von 3/100 000 s aus. Hierfçr sind trickreiche zentralnervæse Auswertsysteme zuståndig, die wir im Kap. 16.5 diskutieren.

19.2 Schwierige Untersuchungen, Modelle Das Innenohr ist einerseits extrem sensitiv ± man sollte deswegen als Physiologe winzigste mechanische Verformungen aller schwingfåhigen Ele-

19.3 Die Ûbertragung des Schalls ins Innenohr

mente messen kænnen. Andererseits sind die Mikroanatomie und mehr noch die Mikroakustik des gewundenen, im hårtesten Knochen des Kærpers eingebetteten håutigen Labyrinths åuûerst vertrakt. Folgendes wurde unternommen: l Mæglichst exakte Messungen der Dimensionen und

l

l

l

l

Elastizitåten der Strukturen des Innenohrs im herausoperierten Pråparat. Schwingungsmessungen an der freigelegten Schnecke mit stroboskopischem Mikroskoplicht (von B k sy). Dabei sind die so genannten Wanderwellen entdeckt worden, freilich im toten und gefensterten Ohr. Die aktive Leistung des Gehærs kommt dabei nicht zur Geltung. Neuerdings macht man Schwingungsmessungen mit Laserlicht am lebenden Ohr, wobei wieder der umhçllende Knochen beschådigt werden muss und nur wenige Teilstrukturen erfasst werden kænnen. Elektrophysiologische Messungen an çberlebenden Haarzellen, die man enzymatisch aus dem Labyrinth freigelegt hat. Man sucht sich die Haarzellen aus den Maculaorganen von Amphibien heraus, weil diese græûer und leichter zugånglich sind als die Haarzellen der Corti-Organe in der Gehærschnecke. Neuerdings gewinnen zunehmend molekularbiologische Verfahren an Gewicht. Welche Gene werden in den Hærzellen exprimiert; welche ungewæhnlichen Proteine sind zu entdecken?

Aus all solchen Einzeluntersuchungen versucht man unter Zuhilfenahme von Computersimulationen Modelle zu entwickeln. Wenn man liest, wie schwer sich Akustiker tun, die Akustik eines geometrisch viel einfacheren Konzertsaales zu berechnen, wird es verståndlich, dass heutige Berechnungen der Innenohr-Verhåltnisse nur vorlåufig sein kænnen. Dieses Buch, wie jedes andere Lehrbuch und jeder Ûbersichtsartikel auch, kann nur mehr oder weniger fantasiereiche Modellvorstellungen wiedergeben und diskutieren.

19.3 Die Ûbertragung des Schalls ins Innenohr 19.3.1 Schall wird im Ohr von Luft in Wasser geleitet. Trommelfell und das Gelenk der Gehærknæchelchen erwirken eine physikalische Anpassung von Schallparametern Die bei den meisten Såugetieren dreh- und neigbaren Ohrmuscheln wirken als Richtantennen. Die von der Ohrtrompete eingefangenen Schallwellen werden gebçndelt und von einer trichterfærmigen Lautsprechermembran mit vorzçglichen akustischen Eigenschaften aufgefangen: dem dçnnen und straff gespannten åuûeren Trommelfell. Die Schwingungsamplituden des åuûeren Trommelfells sind bei kaum noch wahrnehmbaren Tænen unglaublich gering. Im empfindlichsten Frequenzbereich um 3 kHz wird an der Hærschwelle das Trommelfell um 10 Picometer, das Hundertmillionstel eines Millimeters, ausgelenkt. Diese Schwingungsweite ist geringer als dem Durchmesser eines Luftmolekçls entspricht. Bei sehr lautem Schall an der Schmerzgrenze hingegen ist die mit Laser-Holographie gemessene Auslenkung des Trommelfells mit ungefåhr 1 lm (einem Tausendstel eines mm) hundertausendmal græûer als bei leisen Tænen. So hohe Schwingungsamplituden mçssen reduziert werden. Als nåchstes geht es darum, den luftgefçllten Hohlraum des Mittelohrs, die Paukenhæhle, zu çberbrçcken (Abb. 19.3 u. 19.4). Dabei wird nun nicht mehr die Luft als Tontråger benutzt, sondern die Kette der Gehærknæchelchen. Hammer (Malleus), Amboss (Incus) und Steigbçgel (Stapes) bildet eine Hebelkette. Bei dieser Ûbertragung soll der Schall nicht amplitudengetreu çbertragen, sondern an die akustischen Bedingungen im Innenohr angepasst werden. Es gilt Schallenergie, die çber das kompressible, schallweiche Medium Luft angeliefert worden ist, auf das nahezu inkompressible, schallharte Medium Wasser (Perilymphe) zu çbertragen. (In der Fachliteratur spricht man auch von Impedanzanpassung, d. h. Anpas-

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19 Das Gehær Abb. 19.3. Gehærgang (Cochlea, Schneckengang) mit Corti-Organ und mit dem begleitenden, U-færmigen perilymphatischen Kanal. Die Paukenhæhle hat drei mit Membranen (Trommelfelle) verschlossene Fenster

Abb. 19.4. Schallçbertragung vom åuûeren Trommelfell auf das innere Trommelfell im ovalen Fenster durch das System der Gehærknæchelchen

19.3 Die Ûbertragung des Schalls ins Innenohr

sung an den Wechseldruck-Widerstand.) Ohne eine solche Anpassung wçrde an der Grenzflåche zur Perilymphe fast alle Schallenergie reflektiert. Die Anpassung besteht l

l

in einer Untersetzung der Schallamplitude durch die Gelenke zwischen Hammer, Amboss und Steigbçgel, in einer Druckçbersetzung durch die Ûbertragung des Drucks vom groûflåchigen åuûeren Trommelfell (Tympanum) auf das kleinflåchige innere Trommelfell (ovales Fenster). Die vom Trommelfell auf einer Flåche von 60 mm2 eingefangene Energie wird auf die 3,5 mm2 groûe Flåche der Steigbçgelplatte konzentriert. Die Steigbçgelplatte ihrerseits çbergibt den verstårkten Schalldruck der Membran des ovalen Fensters (inneres Trommelfell), hinter der die Perilymphe beginnt. Die Kraftçbersetzung ist betråchtlich, beim Menschen 17 : 1, bei der Katze 35 : 1, bei manchen Fledermåusen 50 : 1.

Ohne diese und weitere Anpassungen wçrden 98% der Schallenergie beim Ûbergang von Luft auf Wasser (Endolymphe) reflektiert werden und verloren gehen. Mit diesen Anpassungen gehen noch 30% verloren. Die Energie, die bei geplatztem oder steifem Trommelfell das Innenohr noch erreicht, wird vom inneren Trommelfell eingefangen oder vom Schådelknochen ins Ohr geleitet. Anpassung an Schallstårke. Schall kann auch fçrchterlich laut sein. Bei lautem Schall ist eine Kraftçbersetzung nicht erwçnscht. Spezielle Muskeln des Mittelohrs kænnen die Schwingungen der Gehærknæchelchen bremsen und so den Schall dåmpfen. Frequenzfilter. Die Verstellbarkeit der Ûbertragungsapparatur durch Muskeln beeinflusst auch die Ûbertragung von Frequenzen. Eine Versteifung verbessert die Ûbertragung hoher Frequenzen, filtert andererseits niederfrequente Schwingungen aus dem Schall heraus. Insgesamt wirken Trommelfell, Ûbertragungsapparatur und die råumliche Dimension des Mittelohrs und seine knæcherne Kapsel als Bandpassfilter, das unser

Gehær vor Lungen- und Herzgeråuschen und den Geråuschen des stræmenden Blutes weitgehend abschirmt. Knochenleitung. Schallçbertragung çber den Schådelknochen ist fçr das Hæren der eigenen Stimme von Bedeutung. Da das inkompressible Material des Knochens anders leitet als Luft, klingt die eigene Stimme fçr uns selbst anders als fçr unsere Mitmenschen. Fçr das Hæren anderer Schallquellen ist nach heutiger Auffassung Knochenleitung von untergeordneter Bedeutung. Luftdruckausgleich und Ohrendruck. Der Raum des Mittelohrs, in dem sich der Ûbertragungsapparat der Gehærknæchelchen befindet, die Paukenhæhle, ist selbst mit Luft gefçllt. Das åuûere Trommelfell wçrde bei jeder Ønderung des åuûeren Luftdrucks wie die Membran eines Dosenbarometers reagieren, wçrde nicht der Luftdruck in der Paukenhæhle çber die Eustachi'sche Ræhre an den Luftdruck der Auûenwelt angepasst. Diese Ræhre verbindet die Paukenhæhle mit dem Rachenraum. Wenn irgend ein Katarrh die Belçftung der Paukenhæhle durch die Ræhre verstopft, empfindet man im schnell fahrenden Aufzug unbehaglichen Ohrendruck; im sinkenden oder steigenden Flugzeug, dessen Druckausgleichssystem allzu tråge funktioniert, kænnen brçllende Schmerzen den mangelhaften Druckausgleich signalisieren. 19.3.2 Die Schnecke ist begleitet von zwei parallelen perilymphatischen Gången; der eine nimmt die Schallenergie auf und çbergibt sie dem Schneckengang, der andere fçhrt restliche Schallenergie ab Die Anatomie der Schnecke wird aus ihrer Entwicklungsgeschichte her verståndlich. Aus dem Labyrinth wird der Schneckengang, die Cochlea (Ductus cochlearis, Scala media), als blind endigender Schlauch herausgezogen. In diesem Schlauch entwickelt sich das eigentliche Sinnesorgan, das die Schallinformation in die Sprache des Nervensystems çbersetzt, das Corti-Organ.

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19 Das Gehær

Der Schlauch der Cochlea wird begleitet von einem zweiten Schlauch, dem perilymphatischen Schlauch. Dieser låuft parallel dem Schneckengang entlang, kehrt an dessen Spitze haarnadelfærmig um und låuft dem Schneckengang entlang zurçck, um an der Paukenhæhle zu enden (s. Abb. 19.3). Die beiden Schenkel des perilymphatischen Schlauches nehmen den zentralen Schneckengang in die Zange, so dass dieser im Querschnitt dreieckig wird. Input-Schlauch. Der aufsteigende Schenkel des perilymphatischen Schlauches beginnt am ovalen Fenster und çbernimmt dort vom inneren Trommelfell die Schallwellen. Der Schenkel heiût Scala vestibuli (Treppe des Vorhofs) und zieht von der Paukenhæhle oberhalb des Schneckengangs bis zur Schneckenspitze (Helicotrema). Output-Schlauch. Der von der Schneckenspitze zur Paukenhæhle zurçckfçhrende Schlauch låuft unterhalb des Schneckengangs und heiût Scala tympani (Treppe der Pauke). Beginnt der zur Spitze hochfçhrende Schenkel der Scala vestibuli mit einem Trommelfell, dem ovalen Fenster, so endet der herabfçhrende Schenkel der Scala tympani ebenfalls mit einem Trommelfell. Es ist im runden Fenster ausgespannt. Dieses ± insgesamt dritte ± Trommelfell nimmt jedoch nicht Schall auf, sondern strahlt restliche Schallenergie ab. Kleine Gedåchtnishilfen: In ein ovales Fenster passt ein Steigbçgel besser als in ein rundes. Und: ein Vorhof kommt zuerst; eine Pauke kommt beim Finale zum Zug.

Zu betonen ist: obwohl es also insgesamt drei Trommelfelle gibt, hat der Schneckengang selbst, in dem sich das eigentliche Hærorgan befindet, kein Trommelfell ± es sei denn, man betrachtet die obere Wandung des Schneckenschlauches, die Reiûner'sche Membran, in ihrer ganzen Långe als eine Art intraaurales, langgestrecktes Trommelfell.

19.3.3 Die Schallenergie wird vom Schneckengang çbernommen und fçhrt zu Transversalschwingungen (Wanderwellen) der Basilarmembran, auf der das Corti-Organ sitzt Schalldruckwellen laufen nicht die ganze aufsteigende Scala hinauf und die ganze absteigende Scala wieder zurçck. Vielmehr finden sie eine Abkçrzung. Der Einfachheit halber verfolgen wir eine einzelne Druckwelle, die vom vorstoûenden Steigbçgel in die Scala tympani geschickt wird. Druck hat die Tendenz, sich nach allen Seiten auszubreiten, weil die Molekçle nicht alle exakt nur in der Ausbreitungsrichtung des Schalls schwingen. Unsere Druckwelle drçckt auch auf die seitlichen Wånde des perilymphatischen Schlauches. Die håutige Wand der gebogenen Scala vestibuli grenzt entlang ihrem Auûenbogen an den harten, unnachgiebigen Schådelknochen. Entlang dem Innenbogen grenzt sie an die elastische Wand des Cochlea-Schlauchs. Beide aneinandergrenzenden håutigen Wånde, die der Scala vestibuli und die der Cochlea, bilden zusammen die Reiûner-Membran. Diese wird von der Druckwelle ausgebeult in das Lumen des Schneckengangs hinein (Abb. 19.5). Damit wird Schallenergie in die Flçssigkeit des Schneckengangs çbertragen. Andererseits schwåcht sich die Druckwelle in der Scala vestibuli wegen dieses Energieverlustes mehr und mehr ab und erlischt. Dass dieser Energieçbergang hydrodynamisch nur in einem begrenzten Bereich der Reiûner-Membran mæglich ist und nicht ganz glatt verlåuft und die Membran dabei ins Flattern geråt, betrachten wir spåter (Wanderwellen). Unsere Druckwelle ist çber die Reiûner-Membran hinweg in den Schneckengang gelangt. Sie håtte diesen Weg nicht so leicht finden kænnen, wenn die inkompressible Flçssigkeit im Schneckengang nicht ihrerseits den Druckpuls håtte weitergeben kænnen. Die Druckwelle im Schneckengang beult nåmlich ihrerseits die Basilarmembran aus. Diese kann nach unten in die Scala tympani ausweichen. Obwohl sich auch dort inkompressibles Wasser befindet, geht das, weil

19.3 Die Ûbertragung des Schalls ins Innenohr Abb. 19.5. Transmission der Schallenergie vom ovalen zum runden Fenster çber den Vorhofsgang, Schneckengang und Paukengang hinweg. Die Schallwellen bringen dabei die Trennmembranen (Reiûner-Membran, Basilarmembran) in Schwingungen, deren Amplituden sehr stark çberhæht dargestellt sind. Die Schwingungen wandern ein Stçck çber die Membran. Die dargestellte Form der Schwingungen ist allerdings weitgehend hypothetisch

das Wasser den Druckpuls an das runde Fenster weiterleitet. Dieses strahlt die Restenergie des Druckpulses in die widerstandsarme Luft der Paukenhæhle ab. Der beschriebene Weg vom ovalen zum runden Fenster ist kurz. Noch wåhrend sich das ovale Fenster einwårts dellt, fångt das runde Fenster schon an, sich nach auûen zu beulen. Einer Druckwelle kann sogleich eine zweite folgen. Die Reiûner-Membran und fast synchron mit ihr die Basilarmembran geraten an der Stelle des Druckçbergangs in oszillierende Auf-, Abschwingungen (Transversalschwingungen) in der Frequenz der Schallwellen. Diese Transversalwellen werden zu transitorischen Wanderwellen, die ein Stçck die Basilarmembran entlang laufen. Wanderwellen. Eine Aufschwingung beginnt an einer Stelle nahe dem runden Fenster; der Wellengipfel wandert dann unter Aufsteilung ein Stçck çber die Membran und klingt dann wieder ab (Abb. 19.6). Die Basilarmembran vollfçhrt also

Bewegungen, die zwei Komponenten haben: einen Transversalvektor (auf, ab) und einen Longitudinalvektor (ein Stçck Richtung Schneckenspitze laufend). Mit der Basilarmembran schwingt das Corti-Organ auf und ab. Die Amplituden dieser Wellen sind allerdings, anders als Abb. 19.5 und Abb. 19.6 suggerieren, extrem gering und liegen im Nanometerbereich. 19.3.4 Das Corti-Organ: Hier erreicht die Schallenergie die Sinneszellen; es gibt zwei Gruppen davon: åuûere und innere Haarzellen Die Basilarmembran ist der Boden der Scala media, des Schneckengangs. Sie ist mit querverlaufenden Fasern versteift und trågt das Corti-Organ. Dieses ist ein schmaler Streifen epithelartigen Gewebes; die Haarzellen sind Komponenten dieses Epithels. Zwischen ihnen befinden sich Stçtzzellen, die ein starres Gerçst bilden. Die Basilarmembran ist einer dçnnen Trommelbespannung

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19 Das Gehær

Abb. 19.6. Wanderwellen çber die Reiûner- und Basilarmembran hinweglaufend. Die Amplituden sind extrem çberhæht gezeichnet. Die Form der Wellen ist weitgehend hypothetisch und aus Messungen an der Basilarmembran toter

oder der vibrationsfåhigen Zunge eines Blasinstrumentes vergleichbar. Die Schwingungen der Basilarmembran mçssen zu periodischen Ablenkungen der Mikrovillibçndel der Haarzellen fçhren. Wie eine Auf-AbBewegung der Basilarmembran ein Hin-Her-Pendeln der Stereovilli bewirken kann, ist fçr die åuûeren Haarzellen (± die Unterscheidung zwischen åuûeren und inneren Haarzellen wird nachfolgend erlåutert ±) leicht zu verstehen: Man legt auf die Villi behutsam die gallertige Deckmembran (Tektorialmembran). Die Tektorialmembran transformiert Auf-Ab-Bewegungen in horizontale Scherbewegungen (Abb. 19.7). Probleme bereitet die hohe Frequenz, in der die ¹Haarªbçschel der Zellen hin und her flattern mçssten, wenn denn die elektrische Aktivitåt der Haarzellen direkt die Tonhæhen widerspiegeln sollte. Und wie wird die Schallstårke codiert? Das in Abb. 19.7 gezeigte Abb. 19.7. Auf-Ab-Bewegungen der Basilarmembran und Umwandlung des Schallreizes in den Nutzreiz, d. h. in eine Abbiegung der Stereovilli der åuûeren Haarzellen

Ohren erschlossen. Fçr die Tonhæhenanalyse ist bedeutsam, dass der Ort der maximalen Amplitude abhångig von der Schallfrequenz ist

19.4 Tonhæhen-Unterscheidung (Frequenzanalyse)

Modell låsst unschwer erkennen, dass der Ablenkungsgrad der Mikrovilli von der Schwingungsamplitude der Basilarmembran abhångt, wåhrend die Schallfrequenz sich vielleicht in der Frequenz widerspiegeln kænnte, in der die Mikrovilli hin und her pendeln. Was also codieren die Haarzellen? Tonhæhe oder Tonstårke, oder beides? Die Antwort auf diese Fragen kann erst gefunden werden, wenn wir die råumliche Anordnung der Haarzellen und ihre unterschiedlichen speziellen Funktionen nåher unter die Lupe nehmen. 19.3.5 Øuûere und innere Haarzellen haben unterschiedliche Teilfunktionen bei der Aufbereitung und Codierung der Schallschwingungen Jede Theorie des Hærens, die erklåren will, wie man hunderte verschiedene Schallintensitåten, hunderte verschiedene Schallfrequenzen und unzåhlige Klånge und Klangfiguren unterscheiden kann, muss die Mikroanatomie des Innenohrs berçcksichtigen (Abb. 19.8). Im Corti-Organ des Schneckengangs finden wir l

zum Auûenrand der Schnecke hin drei åuûere Haarzellen; in Långsrichtung des Schneckenganges ergeben sich drei parallele Reihen mit insgesamt 3 ´ 3500 = 10 500 åuûeren Haarzellen;

l

zum Innenrand der Schnecke hin findet man im Querschnitt eine einzelne innere Haarzelle; in Långsrichtung addieren sich diese inneren Zellen zu einer Reihe von ca. 3500 Zellen.

Dass die Aufreihung der Haarzellen in lange Kolonnen etwas mit der Tonunterscheidung (Frequenzanalyse) zu tun hat, ist leicht zu erraten. Was aber bedeutet die Zweiteilung in åuûere und innere Haarzellen? Besonderheiten bei der Art, wie Stereovilli abgelenkt werden. Nur die Stereovilli der åuûeren Haarzellen sind mechanisch mit der Tektorialmembran gekoppelt; diese Koppelung schrånkt ihre Freiheit ein und låsst eine mindere råumliche Auflæsung vermuten. Die Villi der inneren Haar-

zellen hingegen scheinen keinen physischen Kontakt mit ihr zu haben. Gerade die inneren, nicht mit ihren Nachbarn gekoppelten Haarzellen werden, wie noch erlåutert wird, fçr die Rezeption der Schallfrequenz, also fçr unsere Fåhigkeit der Tonhæhenunterscheidung, verantwortlich gemacht. Augenscheinlich erreicht die Schallenergie ihre Stereovilli çber das flçssige Medium. Potentiell kann die innere Haarzelle anders reagieren als die drei åuûeren, und tut es auch. Øuûere und innere Haarzellen und ihre nervale Verkabelung l

l

Die inneren Haarzellen liefern ihre Information getrennt an ihnen individuell zugeordnete Fernmelde-Neurone. Es kænnen bis zu 20 solcher Neurone die Information einer einzelnen Haarzelle abgreifen und dem ZNS zufçhren; innere Haarzellen haben also etwa 20 afferente Synapsen. Die von den drei Reihen der åuûeren Haarzellen in Form von Transmitterpulsen gelieferte Information wird von nachgeschalteten ableitenden Nervenzellen gruppenweise gesammelt und zusammen dem ZNS zugeleitet. Erstaunlich ist, dass in umgekehrter Richtung vom ZNS zu den åuûeren Haarzellen mehr efferente Fasern verlaufen als afferente von den Haarzellen zum Gehirn. Offensichtlich sind diese Haarzellen nicht nur Sender, die dem ZNS irgendwelche Mitteilungen çber Schallparameter machen, sondern auch Effektoren, die Befehle vom ZNS entgegennehmen. Diese Effektorfunktion diskutieren wir nachfolgend im Abschnitt 19.4.3.

19.4 Tonhæhen-Unterscheidung (Frequenzanalyse) 19.4.1 Ortsanalyse versus Periodizitåtsanalyse: Ortsanalyse ist immer dabei Wir werden beim Gehær, wie spåter auch beim Auge, mit dem Problem konfrontiert, wie Nervenzellen zwei verschiedene Reizparameter ± hier

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19 Das Gehær Abb. 19.8. Corti-Organ auf der Basilarmembran. Ausschnitt

Tonhæhe und Schallstårke ± dem ZNS melden kænnen, obwohl der Fernmelde-Zelle nur die Frequenzmodulation zur Codierung von Information zur Verfçgung steht. Es sind zwei basale Hypothesen entwickelt worden: Die Ortsanalyse (Frequenz-Orts-Abbildung). Es gibt Haarzellen, die fçr tiefe Tæne zuståndig sind und deren Schallintensitåt messen; andere sind fçr hohe Tæne zuståndig und messen deren Schallintensitåt. Die fçr tiefe und hohe Tæne zuståndigen Haarzellen stehen an verschiedenen Orten entlang dem Schneckengang, die Hochtonspezialisten am Schneckenanfang, die Tieftonspezialisten an der Schneckenspitze. Zwischen den Extremen stehen Haarzellen, die wie die Tasten des Klaviers der Reihe nach fçr die Zwischentæne der Tonleiter zuståndig sind. Das ZNS wertet dann die Herkunft der Aktionspotentiale (welche Klaviertaste?) als Tonhæhe, die Frequenz der Aktionspotentiale (wie stark war der Anschlag?) als Schallintensitåt. Die råumliche Abbildung der Frequenzen auf der Långe des Corti-Organs wird als Tonotopie bezeichnet.

Periodizitåtsanalyse. Die Haarzellen, und mit ihnen die Fernmelde-Nervenzellen, feuern in Salven (bursts). Der zeitliche Abstand (Intervall) zwischen den Salven entspreche dem Abstand zwischen zwei Druckwellen des Schalls. Dessen Kehrwert ist die Frequenz. Die Periodizitåt der Salven codiere also die Tonhæhe. Die Schallintensitåt sei darin codiert, wieviele Aktionspotentiale eine einzelne Salve enthalte. Diese Hypothese kann fçr sich anfçhren, dass man vom Hærnerven tatsåchlich periodisch gegliederte Salven ableiten kann ± allerdings nur bei tiefen Tænen. Da die Sendefrequenz der Nervenzellen kaum 300 Hz çberschreitet, kann die Periodizitåtsanalyse allenfalls fçr tiefe Schallfrequenzen zum Zuge kommen. Unbeschadet davon, ob das ZNS eine Periodizitåtsanalyse durchfçhrt ± warum sollte es diese Mæglichkeit nicht auch nutzen? ± kommt in jedem Fall auch die Ortsanalyse zum Zuge; denn tiefe, mittlere und hohe Tæne kænnen schon aus rein physikalischen Grçnden nur ærtlich getrennte Haarzellen erreichen.

19.4 Tonhæhen-Unterscheidung (Frequenzanalyse)

19.4.2 Vom Resonanzprinzip bis zur aktiven Mitarbeit: çberraschende Befunde motivieren zu spannenden Hypothesen Wir lassen eine mægliche Periodizitåtsanalyse auûer Betracht. Das auf den ersten Blick so schlichte Ortsprinzip ist bei nåherer Betrachtung spannend genug. Nach diesem Ortsprinzip werden also tie-

fe, mittlere und hohe Tæne an verschiedenen Orten entlang des Schneckengangs wahrgenommen. Tatsåchlich ist dies so: hohe Tæne werden von der Basilarmembran frçh aufgegriffen und reizen Haarzellen nahe dem (inneren) Trommelfell, tiefe Tæne dringen weiter in die Schnecke und reizen Haarzellen nahe der Schneckenspitze (Abb. 19.9). Dem Frequenzabstand von jeweils einer Oktave entspricht ein gleich langer Abstand auf der Basi-

Abb. 19.9. Transduktionsprozesse in den åuûeren Haarzellen. Die Abscherung der Stereovilli æffnet mechanisch gesteuerte Kalium-Kanåle in der Membran der Stereovilli. Getrieben von der elektrischen Potentialdifferenz zwischen Endolymphe (+100 mV) und dem Zellinneren (±70 mV) stræmen K+-Ionen in die Haarzellen und, ihrem Diffusionsdruck folgend, durch K+-Leckkanåle an der Basis der Zellen weiter in die Scala tympani des perilymphatischen Kanals. Durch das schallinduzier-

te rhythmische Hin- und Herpendeln der Stereovilli und das damit gekoppelte Úffnen und Schlieûen der apikalen K+-Kanåle erfåhrt das Rezeptorpotential rhythmische Depolarisationen und Repolarisationen zwischen ±70 mV und ±40 mV. Weitere Ionen sind in diesem stark vereinfachenden Modell nicht berçcksichtigt, doch ist bekannt, dass auch Ca2+-Kanåle und spannungsgesteuerte K+-Kanåle, und selbstredend auch Anionen wie Chlorid von Bedeutung sind

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19 Das Gehær

larmembran. Wenn die Oktave von 120 bis 240 Hz eine Strecke von 2 mm beansprucht, dann auch die Oktave von 240 auf 480 Hz usf. (Beachte: Dabei gelangt man zu einer logarithmischen Skala!)

!

Aufgepasst! Intuitiv neigt man dazu, tiefe Tæne dem weiten Eingangstor des Schneckengangs, hohe Tæne der engen Spitze der Schnecke zuzuordnen. Dass dies nicht so ist, sondern gerade umgekehrt, ist eine Ûberraschung. Eine erste Erklårung fçr dieses paradox erscheinende Phånomen lieferte Herrmann von Helmholtz.

1. Die Resonanztheorie des Physiologen und Physikers von Helmholtz: Der bedeutende und vielseitige Anatom, Physiologe und Physiker Herrmann von Helmholtz (1821 ± 1894) berçcksichtigte in seiner Resonanztheorie einen çberraschenden anatomischen Befund: Obwohl die Weite des Schneckenganges wie bei jeder Schnecke von der Mçndung bis zur Schneckenspitze abnimmt, nimmt die Breite der Basilarmembran zu. Nach neueren Messungen wird sie auch schlaffer und massereicher. Kurze, straff gespannte und dçnne Saiten klingen hoch und haben eine hohe Resonanzfrequenz. Lange, schlaff gespannte und dicke Saiten haben eine tiefe Eigen- und Resonanzfrequenz. Die Basilarmembran verhalte sich wie ein Klavier, dessen Saiten man durch Singen zum Mitschwingen und Mitklingen bringt. In einem solchen reinen Resonanzsystem mçssten alle Saiten unabhångig von den anderen schwingen kænnen. Dies ist bei der Basilarmembran nicht so. Schon deshalb sagen die meisten heutigen Lehrbçcher, die Resonanztheorie sei hinfållig ± um sie dann in verånderter Form (und ohne es explizit zu sagen) munter weiter leben zu lassen. Auch wir lassen sie, in verånderter Form, weiterleben. Zusåtzlich kommt nach neuesten Auffassungen hinzu, dass auch die gallertige Deckmembran ein System von Resonatoren darstellt. Ebenso wie auf der Basilarmembran stimmen die Resonanzfrequenzen der schwingenden

Deckmembran nahe der Basis der Cochlea mit den hæchsten Schallfrequenzen çberein, nahe der Schneckenspitze mit den tiefsten. 2. Die Wanderwellentheorie des Physikers von B k sy: Georg von B k sy (1899±1972) beobachtete die oben beschriebenen Wanderwellen. Die Basilarmembran geråt in Transversalschwingungen, die sich aufschaukeln und wieder abklingen und dabei ein Stçck die Schnecke hochlaufen. Eine Abbildung der Frequenzen ist insofern gegeben, als bei hohen Tænen die Wanderwellen ihr Amplitudenmaximum schon nahe dem ovalen Fenster an der Schneckenmçndung, tiefe Tæne erst weiter zur Schneckenspitze hin erreichen. Dafçr sind jene elastischen Eigenschaften der Basilarmembran verantwortlich, die auch fçr Resonanzschwingungen bestimmend sind. Dazu kommt eine seitliche Koppelung der elastischen Elemente. Ein groûes Problem hat die ursprçngliche Wanderwellen-Theorie nicht læsen kænnen, sondern erst aufgeworfen: Wie kommt es, dass wir mehrere hundert Tonhæhen unterscheiden kænnen, obwohl die Wanderwellen weite Strecken çberstreichen? Nimmt man an, ein gutes Gehær unterscheide 1600 Tæne und die Zahl der inneren Haarzellen entlang dem Schneckengang sei 3500, dann kåmen zwei Haarzellen auf einen Ton. 3. Die aktive Mitwirkung des Ohrs: Von B k sy hatte seine Messungen der Wanderwellenbewegung am Ohr von Leichen durchgefçhrt. Im lebenden Ohr sind die Wanderstrecken viel kçrzer. Augenscheinlich gibt es aktive Mechanismen, die Hydrodynamik des Ohres im Reizbereich zu verstellen. An irgendeiner eng umschriebenen Stelle im Ausbreitungsbereich einer Wanderwelle werden die Haarzellen aktiv zum Empfang einer bestimmten Bestfrequenz (BF) eingestimmt (getunt), und es wird die Mikroakustik veråndert. Fçr diese aktive Verstårkung werden die åuûeren Haarzellen verantwortlich gemacht, zu denen ja reichlich vom Gehirn ausgehende, efferente nervale Befehlsleitungen fçhren. Ihr ak-

19.4 Tonhæhen-Unterscheidung (Frequenzanalyse)

tives Mitwirken sollte die Hydrodynamik ihrer Umgebung veråndern und sicherstellen, dass nur wenige der inneren Haarzellen von einem Ton gerçhrt werden. Aber wie? Die Sache bleibt spannend. 19.4.3 Die åuûeren Haarzellen vibrieren, von elektrischen Wechselstræmen stimuliert, aktiv im Rhythmus der Schallwellen und verstårken sie Im Ohr entstehen unentwegt Schwingungen. Ein empfindliches Mikrofon auf die Auûenseite des Trommelfells registriert Geråusche, so genannte otoakustische Emissionen. Sie werden dauernd ausgestrahlt, verstårkt aber als Echo auf exogenen Schall. Die Forschung der letzten Jahre hat die Quelle dieser abgestrahlten Schwingungen ausfindig gemacht. Es sind die åuûeren Haarzellen. Sie veråndern periodisch ihre Långe in hoher Frequenz. Man stellt sich vor, dass die åuûeren Haarzellen im Einflussbereich einer Wanderwelle nicht nur passiv ins Schwingen versetzt werden, sondern selbst aktiv zu oszillieren beginnen und bestimmte Komponenten der passiven Schwingungen aktiv verstårken. Die lokale Schallstårke am Ort der Bestfrequenz wird nach Berechnungen um 40 dB, das heiût um das 100fache, erhæht. Dass hier nicht nur die blçhende Fantasie von Forschern Daten in den Rechner eingibt, beweist das Mikrophon. Auf einen kurzen Klicklaut antwortet das Ohr mit einem Echolaut (evozierte otoakustische Emission), den manche Leute sogar hæren kænnen. Sehr empfindliche Mikrophone melden auch bei åuûerer Stille unterschwellige Stand-by-Laute. Das Ohr ist in ståndiger Bereitsschaftsstellung, um unverzçglich auf åuûere Laute reagieren zu kænnen. Die Stand-by-Aktivitåt erniedrigt die Auslæseschwelle: Mit kaum registrierbarer Verzægerung werden exogene Schallereignisse mit erhæhter Schwingungsamplitude verstårkt. Man nimmt an, dass bei einer bestimmten Tonhæhe jeweils nur 1±3 Querreihen åuûerer Haarzellen mit verstårkten Vibrationen antworten.

Nach heutiger Modellvorstellung låuft Folgendes ab: In der Endolymphe ist die K+-Konzentration ungewæhnlich hoch, viel hæher als in der Perilymphe. Darin steckt ein hohes Diffusionspotential (auch als chemisches Potential bezeichnet, s. Kap. 14), welches in einer Nernst'schen elektrischen Spannung zwischen der Endolymphe des Schneckengangs und der Perilymphe des Paukengangs seinen messbaren Ausdruck findet (Abb. 19.9). Man spricht von einem ¹endocochleårenª Potential. In den Stereovilli der Haarzellen befinden sich mechanisch gesteuerte K+-Kanåle, an der Basis der Haarzellen K+-Leckkanåle. Wenn ein Bezirk der Basilarmembran schwingt, werden in den Stereovilli durch die Scherbewegungen der gemeinsamen Deckmembran synchron die K+-Kanåle der Stereovilli geæffnet, und ein K+-Strom flieût von der Endolymphe durch die Haarzellen zur Perilymphe. Klappen die mechanisch gesteuerten K+-Kanåle wieder zu, wird der Strom unterbrochen. Wenn nun die Stereovilli hin und her schwingen, werden ihre mechanisch gesteuerten K+-Kanåle geschlossen, geæffnet und geschlossen ± im Rhythmus der Schallwellen. Es entstehen oszillierende K+-Stræme. Ein Ionenstrom ist zugleich ein elektrischer Strom. Es entsteht also ein elektrischer Wechselstrom (AC = alternating current) durch die gereizten Haarzellen hindurch, dessen Schwingungsfrequenz nicht wie der des AC-Stroms aus der Steckdose konstant 50 Hz betrågt, sondern von der Frequenz der Schallwellen abhångt. Synchron mit den Schwingungen dieses Wechselstroms åndern die Haarzellen ihre Långe; sie vibrieren.

Auûerhalb des Ohres lassen sich solche mechanische Vibrationen der Haarzellen auslæsen, wenn sie einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt werden, das solche K+-Stræme erzwingt. Die vibrierenden Haarzellen werden als lokale Schallverstårker angesehen, welche das Amplitudenmaximum der Membranschwingungen an einem eng begrenzten, frequenzkonformen Ort um das Hundertfache verstårken. 19.4.4 Die Zellmembran der åuûeren Haarzellen ist mit ungewæhnlichen molekularen Motorproteinen ausgestattet Wenn man von bekannten Mechanismen ausgeht, wird man Långenverånderung von Zellen auf Motorproteine wie Myosin, Dynein oder Kinesin zurçckfçhren wollen, Motorproteine, die alle ATP verbrauchen. Haarzellen verbrauchen aber

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19 Das Gehær

bei ihren Vibrationen kein ATP, und sie verkçrzen und verlångern sich viel rascher als es bekannte Motorproteine ermæglichen kænnten. Auûerhalb des Ohres lassen sich Vibrationen der Haarzellen bis zu 80 000 Hz auslæsen, wenn sie einem elektrischen Wechselfeld entsprechender Frequenz ausgesetzt werden. Die åuûeren Haarzellen sind demnach elektro-mechanische Energiewandler, die elektrische Wechselfelder in mechanische Schwingungen transformieren. Beim Vergleich der Proteinausstattung von vibrationsfåhigen åuûeren und passiven inneren Haarzellen (je 1000 Zellen aus dem Innenohr der Wçstenspringmaus) kam man dem Protein Prestin auf die Spur. Ein Prestinmolekçl veråndert seine råumliche Konfiguration im Rhythmus elektrischer Spannungsschwankungen (Abb. 19.9). Wenn Prestinmolekçle çbereinandergestapelt sind, addieren sich die einzelnen minima-

len Dimensionsånderungen zu einer konzertierten Schwingung der gesamten Zelllånge. Woher rçhren die elektrischen Spannungsånderungen? Es sind die mit den oben beschriebenen Wechselstræmen verbundenen endochleåochleåren Wechselspannungen. Die sich periodisch æffnenden Ionenkanåle geben, so wird vermutet, periodisch auch Anionen (z. B. Chlorid) Zugang zu den Prestinmolekçlen. Sie binden Anionen und erfahren dadurch periodische Konformationsånderungen. Die synchronen Konformationsånderungen der aufeinandergestapelten Prestinmolekçle bewirken periodische Långenånderungen der Haarzellen im Rhythmus der Schallwellen. Die Långenschwankungen geschehen also bei den extremen Tieftonspezialisten mit 16 Hz, bei den Hæchsttonspezialisten mit 20 000 Hz. Mit diesen Vibrationen verstårken die åuûeren Haarzellen die lokale Amplitude der Basilarmembranschwingungen. Diese verstårkten mechanischen Schwingungen werden ihrerseits auf die Wirbel der Endolymphflçssigkeit çbertragen, und die wiederum setzen die inneren Haarzellen in Erregung. Die efferente Kontrolle der Haarzellen durch das ZNS scheint hemmend zu sein. Bei zu groûer Lautstårke wird die Verstårkerfunktion der åuûeren Haarzellen gedrosselt. 19.4.5 Die Tonhæhen-Unterscheidung wird von den inneren Haarzellen geleistet; Techno-Sound bringt sie per Tod zum Schweigen

Abb. 19.10. Ortsprinzip der Tonhæhenanalyse und Breite der Basilarmembran entlang der Schnecke

Die inneren Haarzellen werden nach derzeitiger Vorstellung von Mikrozirkulationsstræmungen gereizt, die unter anderem von den vibrierenden åuûeren Haarzellen erzeugt und auf eine innere Haarzelle fokussiert werden. Die Frequenzanalyse des Schalls wird also von der Einerreihe der inneren Haarzellen geleistet. Sie sind ja alle mit einer individuellen Telefonleitung mit der Auswertzentrale des Gehirns verbunden. Der Nachweis gelingt im unfreiwilligen Experiment. Wird das Ohr mit einem reinen Ton sehr hoher Intensitåt beschallt, sterben die fçr diesen Ton zuståndigen, çberreizten Haarzellen ab. Es entsteht eine Lçcke in der

19.5 Zur Perzeption: Tonotopie und Lokalisation einer Schallquelle

Tonleiter. Abgestorbene Haarzellen werden (anders als Riechzellen) nicht regenerativ ersetzt. Die Generation der Walkmånner und TechnoFans wird dem Ohrenarzt willkommene Einkçnfte verschaffen. Auch wer Lårm meidet, aber çberreichlich Stress konsumiert, kann unangenehme Hærprobleme bekommen. Beim ¹Hærsturzª (Laienausdruck, medizinisch Tinnitus) hært man dauernd quålende, hohe Tæne. Das Symptom kann verschiedene Ursachen haben. Auch ohne Information vom Ohr kann ein erkranktes Hærzentrum im Gehirn Tæne und Stimmen erzeugen. Die Medizin unterscheidet objektiven und subjektiven Tinnitus. Objektiver Tinnitus. Hier gibt es tatsåchlich Geråusche, die auch ein Mikrofon vom Ohr abhæren kann. Ursache kænnen çbersteigerte otoakustische Emissionen und akustisch nicht ausreichend abgeschirmte Pulsationen des arteriellen Blutstroms sowie gestærter Blutfluss sein. Subjektiver Tinnitus. Obwohl von auûen die Geråusche nicht zu hæren sind, hært sie doch der Patient in seiner vom Gehirn erzeugten subjektiven Hærwelt. Ursachen der Geråuschempfindungen kænnen nachwirkender Lårmstress sein, hoher Binnendruck der Endolymphe, hoher Blutdruck, Nervenentzçndungen, Allergien, Medikamente wie hohe Dosen von Aspirin, Empfångnisverhçtungsmittel, und vieles mehr.

19.5 Zur Perzeption: Tonotopie und Lokalisation einer Schallquelle Wir hæren, wer in der Familie eben welche Tçr geschlossen hat und mit welcher emotionalen Befindlichkeit. Bruchstçcke einer Melodie gençgen, um ein groûes Werk zu identifizieren, und wir hæren mit der Stereoanlage den (vermeintlichen) Ort eines Instruments in der Klangvielfalt des Orchesters. Schallereignisse werden in einer umfassenden Spektralanalyse auf ihre komplexe Zusammensetzung aus Frequenzen und Intensitåten hin untersucht und ihre zeitliche Struktur wird pråzise ausgewertet. Alle diese Auswertergebnisse werden in Bruchteilen einer Zehntelsekunde mit im Gedåchtnis gespeicherten Mustern verglichen.

Es versteht sich von selbst, dass die fçr all diese hochkomplexen Leistungen zuståndigen zentralnervæsen Instanzen noch unzulånglich erforscht und ihre Arbeitsweisen nur ansatzweise verstanden sind, und es versteht sich wohl auch von selbst, dass dieses einfçhrende Lehrbuch nur Bruchstçckhaftes wiedergeben kann. 19.5.1 Tonotopie: Die råumlich auseinandergezogene Abbildung der Schallfrequenzen in der Cochlea spiegelt sich in einer korrespondierenden råumlichen Ordnung der zentralen Auswertinstanzen wieder Bei der Besprechung des Tastsinnes (Kap. 17.4.3) erfuhren wir vom Prinzip der Somatotopie: Verschiedene Bezirke der reizaufnehmenden Kærperoberflåche werden in verschiedenen Bezirken der Groûhirnrinde ausgewertet. Vergleichbares gilt fçr die Tonhæhenwahrnehmung. Die aufsteigende Hærbahn durchquert bei Såugetieren einen paarigen Colliculus inferior auf der Vierhçgelplatte des Mesencephalon. Dort sind bei Katzen wie bei Fledermåusen Neurone identifiziert worden, die auf Modulation der Schallfrequenz reagieren. Neurone mit gleicher Bestfrequenz sind zu Schichten gruppiert. Verschiedene Schichten sind mit der Analyse verschiedener Frequenzbereiche betraut. Tiefe Frequenzen werden im dorso-medialen Colliculus, hohe Frequenzen im ventro-lateralen verarbeitet. Bei Katzen erfasst eine Schicht eine Vierteloktave. 19.5.2 Schalllokalisation: Millionstel Sekunden Zeitdifferenzen zwischen beiden Ohren sollen mittels eines zentralnervæsen Koinzidenzanalysators gemessen werden kænnen Zur Ortung von Schallquellen werden die Differenzen ausgewertet, mit denen Schallwellen das linke und rechte Ohr erreichen. Ihre Amplituden (Energiedichten) sind im schallfernen Ohr geringfçgig niedriger als im schallnahen, und charakteristische Schallereignisse wie Beginn des

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19 Das Gehær Abb. 19.11. Ortung einer Schallquelle mittels Koinzidenzneuronen in den oberen medialen Oliven nach dem Jeffress-Modell. Nur Neurone feuern, die exakt gleichzeitig Signale der gleichen Art von beiden Ohren erhalten. Bei seitlichen Schallquellen sind die Ankunftszeiten der Schallereignisse bei beiden Ohren unterschiedlich. Zum Ausgleich dieser interaural time differences (ITD) mçssen die Meldungen des schallnahen Ohrs verzægert werden, um gleichzeitiges Eintreffen der Signale an den Koinzidenzneuronen zu ermæglichen. Dies wird durch långere Leitungswege erreicht. Die notwendigen Verzægerungszeiten sind abhångig vom Einfallswinkel des Schalls und geben daher Auskunft çber die Richtung der Schallquelle

Schalls und Intensitåtsspitzen treffen mit minimalen Zeitdifferenzen ein. Auch treten geringe Phasenverschiebungen in fortlaufenden Wellenzçgen auf, welche die beiden Trommelfelle in phasenverschobene Schwingungen bringen (Abb. 19.11).

Mit der Ortung von Lautquellen ist ein anderes Gebiet des Gehirns betraut als mit der Frequenzanalyse. Es sind die paarigen Olivenkerne im Stammhirn nahe der Einmçndung der Hærnerven

19.6 Hæren und Ultraschallortung bei Tieren

im Ûbergangsbereich von Gehirn und Rçckenmark. Die Oliven gliedern sich in die l

MSO, die mediale superiore Olive; ihr wird die Aufgabe zugeordnet, Differenzen in den Ankunftszeiten von Schallereignissen auszuwerten; diese haben vor allem bei der Auswertung tiefer Frequenzen, wie sie beim Sprechen erzeugt werden, Bedeutung, und die

l

LSO, die laterale superiore Olive, die sich mehr mit der Auswertung von Intensitåtsunterschieden und der Phasenverschiebung bei hæheren Schallfrequenzen befassen soll.

Wir beschrånken uns auf die Auswertung von inter-auralen Zeitdifferenzen ITD (lat.: inter = zwischen, aures = Ohren) in den MSO. Das menschliche Gehær kann Zeitdifferenzen von nur 5 ls (ls = Millionstel Sekunden!) erfassen, Fledermåuse sollen gar noch Echodifferenzen im ns-Bereich (Milliardstel s) erfassen kænnen. Wie ist das mæglich, wenn eine synaptische Signalçbertragung schon 1 ms dauert? Eine erste Spezialitåt sind besonders groûe und schnelle Synapsen (Held'sche Endkolben (endbulbs) und Kelchsynapsen (calices)). Beteiligte Ca2+-Kanåle æffnen und schlieûen extrem schnell. Doch zu einer zeitlichen Auflæsung von unter 0,5 ms kommt man damit allein nicht. Ein vieldiskutierter Trick ist ein hypothetischer Koinzidenzanalysator. Bereits vor çber einem halben Jahrhundert hat ein Neurobiologe namens Jeffress ein Modell zur Ermittlung geringer Zeitdifferenzen vorgeschlagen. Ein Ohr sei der Schallquelle direkt zugewandt, das andere befinde sich im Schallschatten. Koinzidenzneurone wçrden feuern, so die Annahme, wenn exakt gleichzeitig Signale vom linken und rechten Ohr eintråfen. Solche Koinzidenzneurone finden sich in groûer Zahl in den MSO. Erregende Signale treffen dort in der Tat von beiden Ohren ein. Nun aber treffen aus seitlicher Richtung kommende Schallereignisse an beiden Trommelfellen mit einer Zeitdifferenz ein, die umso græûer ist, je mehr der Schall nicht von direkt vorn (08-Einfallswinkel), sondern von der Seite kommt. Der Unterschied ist maxi-

mal, wenn die Schallquelle 908 seitlich vom Kopf lokalisiert ist (Abb. 19.11). Das vorgeschlagene Modell (¹Jeffress-Modellª) nimmt an, eine Kette von Koinzidenzneuronen sei fçr zunehmende Schalleinfallswinkel zuståndig. Damit Koinzidenz aber mæglich werde, wçrden Zeitdifferenzen in den Schallereignissen dadurch kompensiert, dass die Zuleitungen vom schallnahen Ohr långer seien als die vom schallfernen Ohr. Minimal långere Axone håtten eben minimal långere Laufzeiten der Spikepotentiale zu Folge. In der Kette der Koinzidenzneurone wåren die verschiedenen Schalleinfallswinkel abgebildet. Das Koinzidenzneuron, das maximalen Ausgleich der Zeitdifferenzen benætigt, um gleichzeitig von beiden Seiten zum Feuern stimuliert zu werden, identifiziert eine Schallquelle 908 seitlich vom Kopf; das Neuron, das ohne Leitungsverzægerung von beiden Seiten zum Feuern veranlasst werden kann, signalisiert eine Schallquelle von vorn (08). Physiologie, insbesondere Neurophysiologie, lebt nicht nur von Messwerten, sondern auch von der Fantasie derer, die sich Mæglichkeiten einer Problemlæsung ausdenken. Das vorgeschlagene Modell besticht durch seine Einfachheit und Plausibilitåt, auch wenn die Gçltigkeit der Annahmen noch nicht bewiesen ist.

19.6 Hæren und Ultraschallortung bei Tieren 19.6.1 Hærvermægen ist weiter verbreitet als man meint; auch viele Fische und manche stummen Nachtschmetterlinge hæren Wenn man wissen will, welche Tiere hæren kænnen, muss man erst definieren, wie Hæren gegen den Vibrationssinn (Substratschall) abgegrenzt werden kænnte. Wenn der Untergrund vibriert, reagieren unzåhlige Tiere mit veråndertem Verhalten, beispielsweise mit Rçckzugsreflexen. Definiert man Hæren, wie dies çblicherweise in Analogie zu unserem eigenen Hærvermægen getan wird, als Wahrnehmung periodischer Druckwel-

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19 Das Gehær

nahe kommt, im Rhythmus der Schallwellen vibriert, bewegt sich das tråge, massendichte Gewicht mit geringerer Amplitude in Gegenphase. Diese Bewegungen werden von Haarsinneszellen registriert. Das Organ funktioniert wie ein Geråt zur Registrierung seismischer Beben. l

Gasgefçllte Schwimmblasen sind bei einer Reihe von Fischen vorne mit einer dçnnen Membran versehen, die auf Schalldruck-induzierte Volumen-/Druck-Schwankungen durch Auslenkung reagiert. Bei Ostariophysen (Karpfen, Salmler, Welse) çbertrågt der von Wirbeln abgeleitete Webersche Apparat die Schwingungen der Membran in die Perilymphgånge des Innenohrs.

Nicht minder vielseitig sind Gehærorgane bei Arthropoden. Bemerkenswert ist, dass nicht nur Insekten hæren kænnen, deren Artgenossen selbst Laute erzeugen, sondern auch einige stumme Nachtfalter. Sie entdecken mit ihren Tympanalorganen ihren Todfeind, die Fledermaus, die mit ihren Ultraschalllauten suchend ihre nåchtliche Umgebung abtastet. 19.6.2 Aktive Echoortung mit selbsterzeugtem Ultraschall (Sonar) wird von Fledermåusen zur Orientierung im Dunkeln und zur Jagd betrieben, von Delphinen zum Fischfang

Abb. 19.12. Gehærorgane mit Trommelfell bei Insekten (Schallwechseldruck-Empfånger). Zusammenstellung

len in Luft oder Wasser, so hæren fast alle Tetrapoden, viele Fische und eine Reihe von Insekten (Abb. 19.12). Bei Fischen sind verschiedenartige Gehærorgane erfunden worden und im Gebrauch. Zwei Beispiele: l

Maculaorgane, auf deren Haarsinneszellen ein schwerer Otolith lagert. Wåhrend der Fisch selbst mit seiner Dichte, die der des Wassers

Es war der neugierige Bischof von Pavia, Lazzaro Spallanzani (1729 ± 1799), der zur Zeit des Rokoko und der aufblçhenden neuzeitlichen Naturwissenschaft mit Fledermåusen experimentierte und verwundert bemerkte, dass sie auch im dunklen Studierzimmer zielsicher durch einen Vorhang von Fåden flogen, an denen kleine Glæckchen hingen. Er war es auch, der ihnen diese Fåhigkeit raubte, indem er ihre Ohren verstopfte. Dass sie bei ihrem Flug Ultraschalllaute aussenden, musste ihm allerdings verborgen bleiben; denn schlieûlich gab es damals noch keine technischen Mæglichkeiten, Ultraschall zu detektieren.

19.6 Hæren und Ultraschallortung bei Tieren

Fledermåuse haben Dåmmerung und Nacht zu ihrer ækologischen Nische machen kænnen, weil sie sich dank ihres leistungsfåhigen Sonarsystems auch im Dunkeln zurechtfinden und sogar leise flatternde Nachtschmetterlinge orten kænnen, um sie als Beute zu jagen. Fledermåuse haben vielleicht das perfekteste Sonarsystem entwickelt; aber sie sind nicht die einzigen, die das Echo selbsterzeugter Ultraschalllaute nutzen, um Hindernisse zu orten. Es gehæren Nachtschwalben (Ziegenmelker) dazu sowie Delphine und andere Zahnwale, die in den finsteren Ozean abtauchen. Delphine nutzen die enorme Geschwindigkeit der Schallausbreitung im Wasser, um Fische zu orten und sich wechselseitig in einer Art Sprache zu verståndigen. 19.6.3 Ultraschalllaute kænnen wie der Schein einer Taschenlampe eng gebçndelt abgestrahlt werden Druckimpulse, auch wellenfærmige Luftdruckschwankungen, breiten sich im Allgemeinen nach allen Raumrichtungen aus: Wir hæren unser Ra-

dio, wo immer es auch steht, vor uns, hinter uns, oder seitlich von uns. Der Hi-Fi-Fan weiû aber auch, dass der Hochtæner seiner Zwei- oder Dreiwegebox weit mehr zum råumlichen Klangbild beitrågt als der Basslautsprecher. Je hæher die Schallfrequenz, desto mehr breitet sich die Schallenergie bevorzugt in der Richtung aus, in der der Schall abgestrahlt wird. Die Fledermaus und der Delphin senden Schreie (Einzellaute oder Lautfolgen) aus, die sich in Form einer Schallkeule ausbreiten (s. Abb. 19.13). Fçr die Bçndelung des Schalls sind drei physikalische Phånomene bedeutsam: l

die Hæhe der Frequenz; je hæher die Frequenz der Ultraschalllaute, desto geradliniger ihre Ausbreitung (desto rascher aber ihre Dåmpfung, was zu Kompromissen zwingt);

l

die Schalltrichterwirkung des Lautsprechers. Fledermåuse erzeugen ihre Laute mit dem Kehlkopf und senden sie entweder durchs Maul oder durch die Nase aus. Wer die Nase benutzt, wie die Hufeisennasen (Rhinolophidae), hat auch einen Nasenaufsatz als Schalltrichter.

Abb. 19.13. Ultraschallkeule einer ortenden Fledermaus

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19 Das Gehær

Abb. 19.14. Dopplereffekt. Das vom schlagenden Schmetterlingsflçgel reflektierte Echo entspricht einer periodischen Tonfolge mit auf- und absteigenden Tonhæhen

l

Interferenzen zwischen beiden aus den Nasenlæchern ausstrahlenden Schallkeulen kænnen die Vorausrichtung verstårken.

Unser Ohr hært die Laute nicht, obwohl sie mit bis zu 120 dB den Schallpegel eines Presslufthammers erreichen. Die Frequenzen liegen zwischen 20 und 200 kHz. Was an Schallenergie mit dem Echo zurçckkommt, ist allerdings sehr gering. Trifft ein Laut von 85 kHz eine 7 m entfernte Wand, kehrt maximal 1/10 000 der Schallenergie zum Sender zurçck (s. Abb. 19.14). Råumliche Auflæsung. Je hæher die Schallfrequenz, desto kleiner die Wellenlånge und desto kleiner die Objekte, die ein Sonarsystem erkennen kann. Das gesuchte Objekt sollte eine Långe haben, die mindestens der Wellenlånge des Ortungslautes entspricht. Die Wellenlånge ist bei 100 kHz in Luft 3 mm, in Wasser 1,5 cm. Die Fledermaus kann Insekten orten, der Delphin einen Fisch. 19.6.4 Die Art der Laute ist dem Biotop und Verwendungszweck angepasst Fledermåuse mçssen den fçr sie optimalen Kompromiss finden. Wer hoch in den Lçften nach Schmetterlingen jagt, wie der Abendsegler, braucht Laute, die weit reichen. Der Abendsegler wåhlt relativ tieffrequente Laute um 20 kHz, die

weit reichen, aber nur ein geringes råumliches Auflæsungsvermægen haben. Hufeisennasen jagen zwischen Båumen. Sie wåhlen komplex gestaltete Lautfolgen mit einer (artspezifischen) Hauptfrequenz um 60, 70 oder 85 kHz. Diese Laute reichen nicht so weit, erlauben andererseits ein differenziertes Hær-Abbild ihrer Umwelt. Die Mehrzahl der Insekten-jagenden Fledermåuse sucht den Nachthimmel mit Folgen von tonartigen Lauten ab, die einzeln jeweils einige ms Långe haben und deren Frequenz mit der besten Hærfrequenz çbereinstimmt. Haben sie ein verdåchtiges Objekt geortet, werden die Laute in schnellerer Folge ausgesandt, und sie werden kçrzer. Die rçckkehrenden Echolaute kænnen so stets in die Sendepausen fallen. Besonders kurz sind die Klicklaute der Fledermåuse, die im Blåtterwerk von Båumen jagen. 19.6.5 Wie man unter Ausnutzung des Dopplereffekts den lautlosen Flçgelschlag eines Nachtfalters hærbar macht Hufeisennasen senden Laute aus mit einem relativ langen frequenzkonstanten Teil (CF-Teil, Tonkomponente) und einem frequenzmodulierten Endabschnitt, in dem die Frequenz plætzlich steil abbricht (FM-Teil). In unseren Hærbereich transponiert (z. B. durch langsames Abspielen eines Tonbandes) klingt ein solcher Laut etwa wie

19.6 Hæren und Ultraschallortung bei Tieren

¹iiiiiiijuª. Der CF-Teil der Laute ist so lang, dass ihr Echo nicht in die Sendepausen fållt, sondern mit den ausgesandten Lauten çberlappt. Der kurze FM-Teil ¹juª ermæglicht es aber doch, Zeitdifferenzen zwischen ausgesandtem Laut und dem zurçckkommenden Echo exakt zu messen und daraus die Entfernung zum Reflektor zu berechnen. Der lange Tonanteil des Lautes ¹iiiiiiiª ermæglicht es, den Flçgelschlag eines Schmetterlings zu hæren. Wie dies? Dopplereffekt. Ein Laut habe 72 000 Hz. Hångt die Fledermaus ruhig an ihrem Ast, kommen von einem ruhenden Reflektor, der Hauswand beispielsweise, auch wieder 72 000 Pulse pro Sekunde zurçck. Fliegt die Fledermaus auf eine Hauswand zu, sammelt ihr Ohr die 72 000 in einer Sekunde ausgesandten Pulse in verkçrzter Zeit wieder ein; denn die Distanzen zum Reflektor werden laufend kçrzer. Der zweite Puls einer Lautfolge erreicht das Ohr eine Idee schneller als der erste Puls, der dritte schneller als der zweite usf. Wenn die in einer Sekunde ausgesandten 72 000 Pulse in 0,9 Sekunden eingesammelt werden, hært das Ohr einen Ton entsprechend der Frequenz 72 000/0,9 = 80 000 Hz. Allgemein: nåhert sich ein Reflektor dem Hærer, ist der gehærte Echolaut hæher, entfernt sich der Reflektor, ist der Echolaut tiefer als der Sendelaut. Der Echolaut ist in dieser Hinsicht dem Ton des Martinshorns zu vergleichen, das hæher klingt, wenn sich der Krankenwagen nåhert, und tiefer, wenn er an uns vorbei gefahren ist und sich wieder entfernt. Das Gehær der Hufeisennase ist so fein, dass sie das minimale Auf und Ab des Echotons erfasst, den der Flçgelschlag eines Schmetterlings verursacht, der in 1 bis 2 m Entfernung an ihr vorbeiflattert (Abb. 19.14). Ein solcher Flçgel nåhert und entfernt sich ja einige Millimeter im Rhythmus des Flçgelschlages. Das Erstaunliche ist, dass die Fledermaus dieses Flattern sicher vom Flattern der Blåtter eines Baumes unterscheiden kann und sie sich nicht durch ihren extrem lauten Sendelaut selbst stært. Das enorme Leistungsvermægen des Fledermausgehærs basiert unter anderem darauf, dass je-

de Fledermausart, sogar jedes Individuum, ein Gehær hat, dessen Sensitivitåt spezifisch auf die Hauptfrequenz (Trågerfrequenz) des eigenen Ortungslautes abgestimmt ist. Die Nutznieûer eines Jagdreviers verwenden unterschiedliche Trågerfrequenzen. Die Hærschwellenkurve hat einen Engpassfilter bzw. ein Engpassfenster eingebaut. Dieses Fenster ist so schmal, dass es die von der Konkurrenz ausgesandten Ortungslaute ausblendet, aber das Echo des eigenen Lautes durchlåsst. In diesem schmalen Fenster ist das Gehær extrem empfindlich und in der Lage, feinste Frequenzdifferenzen, wie sie der Flçgelschlag eines Falters erzeugt, aufzulæsen. Auf der Cochlea des Ohrs ist ein breiter Bereich fçr diesen Frequenzbereich reserviert (akustische Fovea). Damit nun das Echo stets in dieses Fenster einfållt, auch wenn die sendende Fledermaus rasch fliegt, senkt oder erhæht das Tier die Trågerfrequenz (Hauptfrequenz) des ausgesandten Ortungslautes, um grobe Verschiebungen des Echobildes durch den flugbedingten Dopplereffekt auszugleichen. Das Echo soll schlieûlich das Fenster nicht verpassen. Es bleibt dann innerhalb des Fensters genug Spielraum, um den Flçgelschlag des Insekts zu hæren. 19.6.6 Delphine und Wale haben ein eigenes Sende- und Empfangssystem Auch Delphine und andere Zahnwale senden Ultraschall in Form eines Scheinwerfers aus. Die Frequenz der Laute betrågt, åhnlich wie bei Fledermåusen, 56±120 kHz. Das Auflæsungsvermægen gençgt, um Fische von Heringsgræûe orten zu kænnen. Darçber hinaus kænnen Delphine die Reflexionseigenschaften verschiedener Materialien (Aluminium- gegen Kupferbleche) unterscheiden. Die Reichweite des Ultraschallscheinwerfers ist græûer als bei Fledermåusen, weil Schall in Wasser viel schneller låuft und weniger gedåmpft wird als in Luft. Es gilt jedoch auch in Wasser: Hohe Schallfrequenzen werden stårker gedåmpft als tiefe. Fçr eine Unterhaltung wird die Stimmlage bis in unseren Hærbereich herabgesenkt.

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19 Das Gehær Abb. 19.15. Ultraschallkeule (mutmaûliche Form) eines ortenden Delphins

Wie erzeugt man Laute tief unter Wasser? Wir wçrden erst Luft holen wollen ± im Wasser ohne Luftflasche eine Fehlleistung, die schwer bestraft wçrde. Der Delphin hat eine ,Luftflasche` dabei. Er nimmt in Luftsåcken des Nasenraums einen Vorrat an Luft mit, und man nimmt an, dass diese Luft im Recyclingverfahren wiederholt durch den stimmgebenden Apparat geblasen wird. Was ist der stimmgebende Apparat? Gewiss der Kehlkopf (Larynx), wenn es um die tiefen Laute der sozialen Kommunikation geht. Fçr die Produktion der Ultraschalllaute ist aber wohl eine andere Einrichtung zuståndig: ein System von Klappen und Muskeln im Nasengang selbst (www.dolphins. org). Es ist nicht eben leicht, am lebenden Delphin unter Wasser die Funktion komplizierter innerer Organe zu untersuchen (man setzt Ultraschallmikrofone, Vibrationsmesser und Geråte zur Messung von Muskelpotentialen auf die Haut). Fçr das Abstrahlen der Schallsignale in das umgebende Wasser ist die ¹Meloneª von Bedeutung: Ein mit æligen Lipiden gefçllter Sack vor der Stirn, der wie eine Linse Schall fokussieren

kann (Abb. 19.15). Die Echolaute werden vermutlich eingefangen durch Fettpolster im Unterkiefer-Halsbereich und fokussiert auf die Bulla ossea, einer ungemein harten Knochenkapsel, die das Innenohr umhçllt. Die Bulla ossea ist in eine weiche Umgebung eingebettet und nicht am Schådel befestigt. Vieles ist noch fragwçrdig. Beispielsweise: Werden nicht die Luftsåcke beim Tieftauchen zur Unbrauchbarkeit komprimiert? Es bedarf noch vieler Einfålle und neuer technischer Geråtschaften, bis die Sonarortung der Delphine in Grundzçgen erklårt und vielleicht auch nachgeahmt werden kann. 19.6.7 Wale, Elefanten und Tauben nehmen Infraschall çber riesige Entfernungen wahr Die Skala der Hærfrequenzen, die wir wahrnehmen kænnen, endet unten bei 16 Hz. Tiefere, von uns nicht wahrnehmbare Frequenzen werden als Infraschall bezeichnet. Infraschall kann poten-

19.6 Hæren und Ultraschallortung bei Tieren

tiell durchaus ein wertvoller Tråger von Information sein; denn seine langen Wellenlången werden nicht so rasch gedåmpft. Groûe Wale singen und unterhalten sich mit Infraschall, der im Ozean hunderte von Kilometern weit trågt. Wir hæren die vollen Walgesånge einschlieûlich ihrer tiefen Tæne nur, wenn ein technisches Geråt die Frequenzen in unseren Hærbereich transformiert. Die mægliche Reichweite der Gesånge ist unvorstellbar weit: In einer Wasserschicht von ±500 bis ±3000 m (dem SOFAR channel) breitet sich Infraschall nahezu ungehindert aus. Eine Schall-

Zusammenfassung des Kapitels 19 Box K 19.1 fçhrt einleitend in die Physik des Schalls ein und definiert Begriffe der Wahrnehmungspsychologie. Schallwellen sind Serien sich im Raum fortpflanzender Druckschwankungen, welche dçnne, straff gespannte Membranen wie das Trommelfell (Tympanum) in Schwingungen versetzen kænnen. Diese Wellen haben Amplituden, denen in der Wahrnehmung die Lautheit des Gehærten entspricht. Die Energien der Schallwellen erzeugen auf einer Aufprallflåche einen Schalldruckpegel SPL, der in der logarithmisch normierten DezibelSkala oder einer mehr subjektiven Lautheitsskala, der Phon-Skala, gemessen wird. Das Frequenzspektrum der Schallwellen erzeugt in der Welt unserer Wahrnehmung Tæne, Klånge und Geråusche, wobei die Hæhe eines Tons von der dominierenden Grundfrequenz, der Klangcharakter vom Spektrum der Obertæne (den Harmonischen) bestimmt wird. Harmonisch werden Klånge empfunden, wenn die Schallfrequenzen in bestimmten ganzzahligen Verhåltnissen zueinander stehen. Der Mensch nimmt Schallfrequenzen von 16 bis maximal 20 000 Hz wahr. Schall, der auf das Trommelfell trifft, muss physikalisch vom kompressiblen (¹schallweichenª) Medium Luft an das inkompressible

quelle bei der Heard-Insel im Sçdindischen Meer war çber den Atlantik bis Labrador, çber den Pazifik bis zur Kçste Kaliforniens zu hæren. Infraschall nutzen auch Elefanten zur Kommunikation çber vermutlich mehrere Kilometer Entfernung (Ræmer H, in: Barth und Schmid 2001). Tauben erzeugen keinen Ultraschall, hæren aber den Infraschall, den der von Bergkåmmen herabstçrzende und von Felsen gebrochene Wind und die Brandung an den Kçsten verursachen. Der so gehærte Infraschall ist eine zusåtzliche Informationsquelle zur Fernorientierung.

(¹schallharteª) Medium Wasser angepasst werden. Die mit Luft gefçllte Paukenhæhle ist mit drei Fenstern versehen, in die Trommelfelle eingespannt sind. Das groûflåchige åuûere Trommelfell ist durch die Kette von Hammer, Amboss und Steigbçgel mit dem kleinflåchigen inneren Trommelfell verbunden, das im ovalen Fenster an einen wassergefçllten Perilymphgang angrenzt. Dieser Reizçbertragungsapparat reduziert einerseits die Amplitude der Schallwellen, verstårkt andererseits ihren Druck durch Ûbertragung der Schallenergie auf eine kleinere Flåche. Die den Schall aufnehmende Perilymphe fçllt einen U-færmigen Kanal, welcher den ebenfalls mit Lymphe gefçllten Cochleaschlauch begleitet. Auf dessen Boden, der Basilarmembran, befindet sich das langgestreckte Cortische Organ mit den reizaufnehmenden Rezeptoren, langen Reihen von Haarsinneszellen. Wåhrend die Schallwellen den einen Schenkel des Perilymphkanals (Vorhofgang, Scala vestibuli) hochlaufen, wird die Schallenergie auf den Cochleaschlauch und weiter in den absteigenden Schenkel des Perilymphkanals (Paukengang, Scala tympani) çbertragen. Restenergie wird an dessen Ende am runden Fenster in die Paukenhæhle abgestrahlt. Die Energieçbertragung bewirkt, dass die Basilarmembran auf dem Boden des Cochleaschlauches in Schwingungen geråt. Es ent-

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19 Das Gehær

steht eine Wanderwelle sehr geringer Amplitude, die, sich aufsteilend, eine kleine Strecke çber die Basilarmembran låuft und wieder abklingt. Der Ort, wo dieses geschieht, ist abhångig von der Frequenz des Schalls: Hohe Frequenzen bewirken solche Schwingungen nahe dem Anfang des Schlauches, tiefe nahe der Schlauchspitze (Helicotrema). Fçr diese Frequenz¹abbildungª sind sich åndernde Resonanzeigenschaften der zum Helicotrema breiter werdenden Basilarmembran zuståndig. Die Haarsinneszellen des Corti-Organs sind in parallelen Reihen angeordnet, einer inneren Reihe mit etwa 3500 aneinander gereihten Zellen und drei åuûeren Reihen mit ebenfalls je 3500 Zellen. Die Stereovilli der åuûeren Reihen sind durch eine Deckmembran miteinander mechanisch gekoppelt. Werden sie von Wanderwellen gereizt, entstehen durch rhythmisches Úffnen von Ionenkanålen oszillierende Rezeptorpotentiale und damit elektrische Wechselfelder im Rhythmus der Schallwellen. Die åuûeren Haarzellen besitzen die auûergewæhnliche Eigenschaft, im Rhythmus dieser Wechselfelder långer und kçrzer zu werden. Dafçr sind besondere Membranproteine mit Namen Prestin zuståndig, deren Dimensionen durch elektrische Spannungen Verånderungen erfahren. Diese Lången-Oszillationen der åuûeren Haarzellen erzeugen ihrerseits Schall, der als otoakustische Emission mit dem Mikrophon registriert werden kann. Durch ihre mechanischen Oszillationen verstårken die åuûeren Haarzellen die Schwingungsamplitude der Basilarmembran an einem scharf begrenzten, frequenzabhångigen Ort und fokussieren Wirbelstræme der Lymphe auf wenige Haarzellen der inneren Reihe. Die innere Reihe codiert die Frequenzen der Schallwellen nach dem Ortsprinzip: Da verschiedene Schallfrequenzen an verschiedenen Orten der Basilarmembran innere Haarzellen stimulieren und deren Meldungen individuell çber afferente Nervenfasern dem Gehirn mitgeteilt werden, kann das Ge-

hirn den verschiedenen Ursprungsorten der Datenkanåle verschiedene Tonhæhen zuordnen. Die Reihe der 3500±4000 inneren Haarzellen ermæglicht es, bis zu 1600 verschiedene Tonhæhen zu unterscheiden. Die Frequenzmodulation der Aktionspotentiale in den verschiedenen Fasern des Hærnervs hingegen codiert die Amplituden der Schallreize und ermæglicht es dem Gehirn, den Tænen Lautheit zuzuordnen. Nur bei niederen Schallfrequenzen kænnen auch rhythmisch strukturierte Impulssalven der Nervenfasern zur Codierung der Schallfrequenz beitragen (Zeitoder Periodizitåtsprinzip). Die Auswertstationen im Gehirn sind tonotopisch gegliedert, das heiût, unterschiedliche Schallfrequenzen werden von unterschiedlichen Neuronenschichten des paarigen Colliculus inferior in der Vierhçgelplatte des Mesencephalon ausgewertet. Fçr die Lokalisation einer Schallquelle sind die medialen Olivenkerne im Stammhirn zuståndig. Nach der gegenwårtigen Modellvorstellung ortet eine Kette von Koinzidenzneuronen die Schallquelle. Diese Neurone feuern nur, wenn Meldungen von beiden Ohren gleichzeitig einlaufen, was bei seitlich einfallendem Schall nur mæglich ist, wenn die Meldungen des schallnahen Ohrs durch långere Zuleitungswege zeitlich verzægert werden. Der Bedarf an Verzægerung entspreche der Zeitdifferenz, in welcher Schallereignisse an beiden Ohren einfallen. Untersucht man das Hærvermægen anderer Tiere, etwa von Insekten, hat man zu unterscheiden zwischen Schallschnelle, den Hinund Her-Pendelbewegungen der Luftmolekçle, und Schallwechseldruck, der entsteht wenn Schallwellen auf eine Flåche prallen. Insekten haben sehr verschiedene Hærorgane an sehr verschiedenen Kærperstellen: sehr bewegliche Hærhaare als Schallschnelle-Empfånger oder mit einem Tympanum versehene Schallwechseldruck-Empfånger. Letztere beispielsweise in den Vorderbeinen von Grillen und Laubheu-

19.6 Hæren und Ultraschallortung bei Tieren

schrecken. Zu den vielfåltigen Hærorganen der Fische zåhlen solche mit schweren Otolithen auf Haarsinneszellen der Maculaorgane, die wie Geråte zur Registrierung seismischer Beben funktionieren. Hærorgane sind in der Evolution mehrfach erfunden worden. Sonar-Ortungssysteme setzen Fledermåuse, Delphine und andere Zahnwale ein. Sie erzeugen Serien kurzer Ultraschalllaute, die sich

weitgehend geradlinig fortpflanzen, und werten das Echo aus. Das Ortungssystem der Fledermåuse ist unerhært pråzise; denn es gelingt ihnen, im Flug mittels ihres blinkenden Ultraschall-Scheinwerfers fliegende Nachtschmetterlinge zu orten und ihr Flattern von Blattbewegungen zu unterscheiden. Weitreichenden Infraschall nutzen Wale und Elefanten zur Fernkommunikation.

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20 Chemische Sinne

20.1 Bedeutung und erste Ûbersicht 20.1.1 Chemische Sinne dienen der Orientierung, der Nahrungskontrolle und der sozialen Kommunikation Groûe Worte çber die Bedeutung chemischer Sinne fçr unser Leben zu verlieren, kænnen wir uns ersparen. Es darf aber darauf hingewiesen werden, dass fçr viele Tiere, insbesondere fçr nachtaktive Såugetiere und soziale Insekten, chemische Sinne nicht nur zum Suchen und zur Prçfung der Nahrung und nicht nur zur Orientierung in einer duftenden Umwelt dienen, sondern auch im Dienste eines ausgeklçgelten chemischen Kommunikationssystems stehen. Auch wenn wir Menschen tausend verschiedene Dçfte wahrnehmen kænnen, in der Empfindlichkeit, Diversitåt und Pråzision bei der Identifizierung einzelner Substanzen und der Ortung ihrer Quelle sind uns zahlreiche Tiere, viele Insekten eingeschlossen, çberlegen. Trotzdem ist auch heute noch bei nicht wenigen flçchtigen Molekçlen die Nase des Chemikers oder professionellen Duftprçfers das leistungsfåhigste Analysengeråt. Manche Duftstoffe sind in Konzentrationen von bis 10±18 mol/l Luft oder Wasser wirksam, eine unvorstellbar niedrige Konzentration. 20.1.2 Es gibt nicht nur den Geruchsund Geschmackssinn, sondern beispielsweise auch einen allgemeinen chemischen Warnsinn Chemische Sinne zweckmåûig einzuteilen, ist so einfach nicht. Wie es in der Physiologie Tradition

ist, orientieren wir uns an unserem eigenen Sinnesapparat (Tabelle 20.1). Doch selbst da kommt man rascher in Konflikte als man meinen mæchte. Wo ordnen wir den scharfen Senf ein, wo das Rauchgas, das uns nicht nur in der Nase sticht, sondern auch in den Augen brennt? Wir versuchen, eine Klassifizierung zu treffen: I. Enterorezeptoren: innere, unbewusste chemische Sinne Die Rezeptoren fçr den pO2, den pCO2, den pH und den Zuckergehalt (Glucosespiegel) des Blutes Tabelle 20.1. Geruchs- und Geschmackssinn des Menschen im Vergleich Riechsinn

Schmecksinn

Reichweite

fern (bis einige 100 m)

nah Mundregion

Funktion

Orientierung Nahrungssuche Warnung

Nahrungsprçfung Warnung

Reiz

flçchtige Molekçle oft lipophil

Elektrolytionen oder hydrophile Molekçle

Qualitåten

unzåhlige in ca. 10 Klassen

5 (bis ?)

Sinneszellen

primåre sensor. Neurone Dendriten mit Cilien eigene Axone ins Riechhirn

sekundåre Sinneszellen apikale Mikrovilli Information wird abgeholt

Geschåtzte Zahl der Sinneszellen

30 Millionen

100 000

Lebensdauer der Sinneszellen

10±30 Tage

8±14 Tage

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20 Chemische Sinne

kamen in frçheren Kapiteln zur Sprache. Wir wollen sie hier nicht weiter behandeln. II. Allgemeiner chemischer Warnsinn und Trigeminussystem Bei Tieren, die im Wasser leben, vom Einzeller aufwårts bis zu Fischen und Amphibien, findet man çber die Kærperoberflåche verstreut Chemorezeptoren, deren wichtigste Funktion es ist, vor Gefahren zu warnen. Beispielsweise vor zu hohem CO2- oder Ammoniakgehalt, vor Schwefelwasserstoff und vielen anderen Substanzen, die Gefahr bedeuten oder anzeigen. Von diesem allgemeinen Warnsinn leitet sich wohl unser Schmerzsinn ab. Es gibt indes noch andere Relikte dieses Sinnes beim Menschen: In den Schleimhåuten der Augenlider, in der Hornhaut des Auges, und in den Schleimhåuten des Nasen-, Mund- und Rachenraumes sind solche Warnrezeptoren gehåuft lokalisiert. Scharfe Zwiebeln und Senfæle lassen nicht nur unsere Nase triefen, sondern auch unsere Augen brennen und trånen, auch wenn Mund und Nase verschlossen sind. Wir kommen darauf im Abschnitt 20.4.7 zurçck.

Abb. 20.1. Riech- und Geschmacksorgane. Lokalisation

III. Fernsinne: Geruchssinne Der allgemeine chemische Warnsinn erlaubt es in der Regel nicht, die Quelle einer Gefahr oder eines mæglichen Genusses zu orten. Hingegen erlaubt der klassische Geruchssinn eine Ortung der Reizquelle, wenn oft auch mit nur geringer Pråzision. Bei vielen Tieren sind Empfånger fçr chemische Signale in Gruben oder Hæhlungen eingelassen, zu denen das Trågermedium (Wasser oder Luft) nur von einer Seite her Eingang findet. Solche Organe erlauben eine ± freilich nur grobe ± Ortung der Richtung, aus der die im Wasser gelæsten oder im Luftstrom herumfliegenden Molekçle herangetragen werden. Anatomisch lokalisierbare Gruppen von Chemosensoren, die eine gewisse Richtcharakteristik haben, heiûen gemeinhin Geruchsorgane (Abb. 20.1 u. 20.2; s. auch Abb. 20.8 und 20.9).

Abb. 20.2. Flehmen: Exposition des Jacobson-Riechorgans (Vomeronasal-Organ)

1. Das allgemeine Riechepithel der Landwirbeltiere und des Menschen ist im Nasenraum untergebracht. Das Riechepithel ist beim Menschen eine gelbe Flåche, nur wenige cm2 groû. Beim Hund ist sie ca. 100-mal græûer. 2. Das Vomeronasal-Organ (Jacobson-Organ) ist ein kleines paariges Organ im Gaumendach beiderseits der Basis der Nasenscheidewand.

20.2 Der Geruchssinn des Riechepithels

Es ist bei Såugern spezialisiert auf die Wahrnehmung von Pheromonen, Duft- oder Geschmacksstoffen, die im Dienst sozialer und sexueller Kommunikation stehen und eine eigene Sprache sprechen. Beim Menschen ist es gering entwickelt, aber es mehren sich die Indizien, dass das Jacobson-Organ auch beim Menschen nicht als gånzlich rudimentår und funktionslos abgetan werden sollte. Nach der Morphologie seiner Sinneszellen und nach seiner Funktion nimmt das Vomeronasal-Organ eine Mittelstellung zwischen Geruchs- und Geschmacksorganen ein; doch wird es in der Regel dem Geruchssinn zugeordnet, weil seine Meldungen, wie die des Riechepithels, ins Riechhirn (Bulbus olfactorius) gelangen, allerdings in eine andere Subregion. IV. Nahsinn: der Geschmackssinn Der Geschmackssinn ist ein Sinn zur Prçfung der Nahrung. Die zuståndigen Rezeptoren sind beim Menschen auf der Zunge und im hinteren Rachenraum lokalisiert.

20.2 Der Geruchssinn des Riechepithels 20.2.1 Das Sekret der Riechschleimhaut fångt mittels Bindeprotein Duftmolekçle ein und låsst sie çber die Cilien von Sinneszellen stræmen Duftmolekçle der Atemluft werden zunåchst mit einem Schleimstrom eingefangen; dieser flieût çber die Cilien hinweg, fçhrt Duftmolekçle heran und spçlt sie wieder fort (Abb. 20.4). In diesem Schleimstrom sind besondere Proteine enthalten, welche mægliche Duftmolekçle binden. Man nennt sie Duftstoffbindeproteine oder odor-binding-proteins OBP. Unklar ist noch, wie es um die Spezifitåt dieser OBP's bestellt ist, wie viele verschiedene solcher OBP's die Drçsen des Riechepithels erzeugen mçssen, um Tausende verschiedener mæglicher Duftstoffe zu binden. Vermutlich binden OBPs nicht nur eine bestimmte Substanz,

sondern eher Substanzen einer Klasse. Jedenfalls lagern sich je zwei OBP zum Dimer und bilden eine zentrale Tasche, in die nicht nur ein bestimmtes Duftmolekçl eingeschlossen werden kann. Unklar und kontrovers diskutiert ist auch die Funktion der OBP. Fçhren die OBP Duftmolekçle an die Cilien der Chemosensoren heran? Oder dienen sie der Reinigung der Schleimhaut von ,alten` Duftstoffen, um es den Chemosensoren zu ermæglichen, einen erneut in die Nase steigenden Duft gleicher Art als neues Ereignis registrieren zu kænnen? Oder haben die OBP beide Funktionen: Heranfçhren eines Duftstoffes an die molekularen Rezeptoren und dann Beseitigung zur Begrenzung der Reizzeit? Darçber hinaus enthålt der Schleimstrom viel Cytochrom P450. In der Leber dient das Enzym dazu, lipophile Substanzen wasserlæslich zu machen. Hier wohl auch, doch wozu? Damit sie besser an die molekularen Rezeptoren diffundieren kænnen, oder zur Begrenzung der Reizzeit? Gewiss ist, dass alle Stoffe, die mit der Atemluft in die Nase gelangen, nicht nur wahrgenommen, sondern auch wieder entsorgt werden mçssen. Dazu verfçgt das Riechepithel çber ein åhnliches Arsenal giftbeseitigender Enzyme wie die Leber. 20.2.2 Riechsensoren sind spezialisierte Neurone und gehæren zu den wenigen, die zeitlebens durch neu geborene ersetzt werden Die vielen Millionen Chemosensoren der Riechschleimhaut besitzen eigene axonale Output-Fasern, um ihre Meldungen durch die Læcher des Siebbeins hindurch in das Gehirn einzuspeisen. Sie werden der Kategorie primårer sensorischer Neurone zugeordnet. Als reizaufnehmende Strukturen dienen Cilien, die dem Dendriten entspringen. In der Cilienmembran sind mit der Patchclamp-Technik (s. Kap. 14) die fçr die Erregungsbildung wichtigen Ionenkanåle entdeckt worden. In ihrer Nachbarschaft dçrften auch die molekularen Rezeptoren lokalisiert sein, welche die Duftmolekçle auffangen (Abb. 20.3). Merkwçrdig ist die kurze Lebensdauer der Sensorzellen. Vermut-

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20 Chemische Sinne

Abb. 20.4. Riechepithel des Nasenraums und erste neuronale Auswertstationen. Die Farbe symbolisiert die Duftstoffselektivitåt. Beachte: die Meldungen der Sinneszellen gleicher Spezifitåt werden gebçndelt und auf ein und dieselbe Mitralzelle geleitet

Abb. 20.3. Riechzelle und die registrierbaren elektrischen Signale. Oben: Signaltransduktion in einer Cilie

lich ist der Grund dafçr, dass Riechzellen die einzigen Neurone sind, die Kontakt zur Auûenwelt haben. Nach ein paar Wochen sind sie schlicht vergiftet und sterben ab, wobei sie sich dem programmierten Zelltod (Apoptose) unterwerfen. Das Riechepithel gehært zu den wenigen neuronalen Geweben im erwachsenen Organismus, in denen laufend in groûer Zahl aus Stammzellen Neurone nachgebildet werden. Adulte Neurogenese

wird ansonsten noch im Bulbus olfactorius (Abb. 20.1) und im Hippocampus (Abb. 23.10) beobachtet. Wie wissen die Nachfolger der verloren gegangenen Neurone, welche Rezeptoren gefragt sind und welchen Glomerulus ihre Axone anzusteuern haben? ± Spannende Fragen, zu denen die Entwicklungsbiologie eine verblçffende Entdeckung beigetragen hat: Die molekularen Rezeptoren, die im Cilium ein Odorant einfangen, werden auch in der Membran des Axons exponiert. Nach der Hypothese der Entdecker helfen diese Rezep-

20.2 Der Geruchssinn des Riechepithels

toren, dass sich die Axone gleicher Odorantklasse finden und gemeinsam ¹ihrenª Glomerulus finden kænnen (Feinstein et al. 2004). 20.2.3 1000 Gene codieren fçr 1000 molekulare Rezeptoren, die schier unendlich viele verschiedene Gerçche vermitteln ± dabei gibt es manche Ûberraschung Vielfalt der Reize. Der Geruchssinn soll nach Meinung mancher Autoren der differenzierteste aller Sinne sein. Ein Artikel (Axel 1995) schåtzt, der Mensch kænne 10 000 verschiedene Dçfte wahrnehmen und verweist auf die Meinung anderer, es kænnte auch ein Vielfaches davon sein. Gibt es entsprechend viele verschiedene sensorische Riechneurone, die mit unterschiedlichen molekularen Rezeptoren (molekularen Antennen) ausgestattet sind? Gene fçr die molekularen Rezeptoren. Bei der Suche nach den molekularen Rezeptoren hat man sich von der Vorstellung leiten lassen, das Einfangen von Duftmolekçlen sei gleichzusetzen mit dem Einfangen eines Hormons oder Neurotransmitters durch seinen Rezeptor. Und man suchte nach Proteinen, die åhnliche Strukturen haben, z. B. mehrere Transmembrandomånen aufweisen. Der Einfachheit halber nahm man Gensonden bekannter Rezeptoren, wie sie als Partner von G-Proteinen in der Signaltransduktion (s. Kap. 12) auftreten. Der Adrenalin-b-Rezeptor (s. Abb. 12.1) ist ein solcher Modellrezeptor. Man suchte mit der Technik der molekularen Hybridisierung (polymerase chain reaction, PCR) nach Genen mit Sequenzåhnlichkeiten. Die Strategie hatte Erfolg. Es gibt eine Genfamilie, die darauf spezialisiert ist, die Sequenz fçr Geruchsrezeptoren zu codieren und die mehr als 1000 Mitglieder hat. Eintausend von ca. 40 000 Genen, die der Mensch schåtzungsweise hat, also mehr als 1%, sind fçr die Codierung von molekularen Geruchsrezeptoren OR (odorant receptors) reserviert. Die Gene sind auf drei Chromosomen (11, 17, 19) verteilt.

Die Zahl der Gene fçr Geruchsrezeptoren steht noch nicht definitiv fest. Nach jçngsten Angaben sind beim Menschen ca. 800 Gene vorhanden, das heiût aber, es stehen 800 ´ 2 = 1600 Allele zur Codierung von Rezeptoren zur Verfçgung (Nimura u. Nei 2005). Andere Quellen (Shykind 2005) sprechen von >1000 Genen und damit von >2000 Allelen. Fçr die Maus werden 1200±1400 Gene mit entsprechend doppelter Zahl mæglicher Allele angegeben (Godfrey et al. 2004; Nimura u. Nei 2005). (Neueste Daten sind abrufbar unter http://bioportal.weizmann.ac.il/ HORDE/). Auf die genaue Zahl kommt es aber gar nicht an; denn viele dieser Gene sind taube Pseudogene (s. unten). Die Zahl der tatsåchlich fçr die Codierung von Rezeptoren abgerufenen Gene kann nur mit aufwåndigen Verfahren ermittelt werden. Fçr eine erste Annåherung isoliert man mæglichst alle mRNAs aus dem Nasenepithel, schreibt sie in cDNA um und amplifiziert mit der polymerase chain reaction PCR diejenigen cDNAs, die nach ihrer Sequenz fçr Rezeptoren codieren sollten. Definitive Klarheit bråchten Bindungsstudien an exprimierten cDNAs oder isolierten OR, d. h. an Rezeptorproteinen mit Geruchsstoffen, wovon es freilich Abertausende gibt ± ein Arbeitsprogramm, das niemals vollståndig abgeleistet werden kann.

Bemerkenswert sind zwei weitere unerwartete Erkenntnisse: 1. Beim Menschen sind 50±60% der 800±1000 OR-Gene (odorant receptor genes) zu tauben Pseudogenen degeneriert, die im Verlauf der Evolution Schåden erlitten haben und heute nutzlos sind. Bei der Maus, einem Makrosmat, wurden 1200±1400 OR-Gene identifiziert, darunter 24% Pseudogene (Gilad et al. 2003 b; Godfrey et al. 2004; Nimura u. Nei 2005). Den ca. 1000 intakten OR-Genen der Maus stehen demnach nur 300±500 intakte OR-Gene des Menschen gegençber. Dies besagt, dass beim Menschen kein groûer Selektionsdruck auf den Erhalt funktionierender Duftstoffrezeptoren liegt, bei der Maus mit ihrem so sehr von der Nase bestimmten Lebensstil ist er deutlich græûer. 2. Es gibt betråchtliche individuelle Unterschiede in der Ausstattung an OR-Genen zwischen Menschen aus verschiedenen Gegenden der Erde, ja auch innerhalb einer Population. Das Geruchsvermægen der Menschen ist folglich allein schon wegen unterschiedlicher geneti-

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20 Chemische Sinne

scher Ausstattung individuell verschieden (Gilad et al. 2003; Menashe et al. 2003). Dazu kommen beim Menschen wechselnde Empfindungsqualitåten im Laufe des Lebens und, speziell bei der Frau, unterschiedliche olfaktorische Sensitivitåt im Verlauf eines Ovarialzyklus. Und es kommen hinzu unterschiedliche Prågung im frçhen Leben und unterschiedliche Erfahrung: Auch Versuchstiere kænnen lebenslange Aversion gegen Speisen entwickeln, die ihnen einstmals bæses Bauchgrimmen verursacht hatten; oder die in der Jugend nachweisbare Fåhigkeit, den spezifischen Duft der Mutter wahrzunehmen, geht im Laufe des Lebens verloren. Die groûe Zahl der augenscheinlich allein fçr den Geruchssinn reservierten Gene wirft weitere Fragen auf: Kann sich dies das Lebewesen çberhaupt leisten? Nimmt man noch die zahlreichen Gene hinzu, die zur Codierung der Rezeptoren der Geschmackssensoren benætigt werden, so fragt man sich, was denn noch zur Codierung von Antikærpern und zur Konstruktion von Hunderten verschiedener Kærperzellen çbrig bleibt. Wahrscheinliche Antwort: Viele dieser Gene werden auch im Kærperinneren zu anderen Zwecken gebraucht. Zwei unerwartete Erkenntnisse auch hierzu: 1. Riechsinneszellen exprimieren ihren molekularen Rezeptor nicht nur auf ihren sensorischen Cilien, sondern auch entlang ihrer Axone (Feinstein et al. 2004). 2. Geruchsrezeptoren scheinen auch bei der Chemotaxis der Spermien von Bedeutung zu sein (Vosshall 2004). 20.2.4 Bei der Aufnahme und Transduktion des Reizes kommen bekannte Signaltransduktionssysteme zum Zuge Wenn man schon erfolgreich mit der Arbeitshypothese operierte, die molekularen Rezeptoren kænnten G-proteingekoppelte Transmembranmolekçle sein, so wird man annehmen wollen, dass entsprechende Signaltransduktionssysteme auch zwischen Signalempfang und dem Auftreten der

amplitudenmodulierten Rezeptorpotentiale zwischengeschaltet sind. Entsprechende Hinweise gab es in der Tat schon zuvor und sie waren Anlass, nach solchen Transmembranmolekçlen zu suchen. Das Ergebnis der Suche: Die Duftstoffrezeptoren geben, wie erwartet, ihr Signal çber ein stimulatorisches G-Protein an eine Adenylatcyclase weiter, und diese besorgt die Synthese von cAMP (Abb. 20.3). Anders als bei den Hormonrezeptoren (Abb. 12.3) wird das Signal aber nicht çber die Proteinkinase A vervielfåltigt. Das cAMP æffnet direkt Ionenkanåle in der Cilienmembran und låsst Kationen, insbesondere Ca2+ in die Cilien einstræmen. In den Cilien æffnet Ca2+ dann Chloridkanåle, die Chloridionen aus den Cilien heraus stræmen lassen, und dieser Ausstrom negativer Ladung verstårkt die Depolarisation der Riechzelle bis zur Auslæseschwelle fçr Aktionspotentiale. Es liegt hier ein zusåtzlicher Verstårkungsmechanismus vor: Der vom Duftstoff induzierte Kationeneinstrom verursacht nur ein geringes Rezeptorpotential (= Minderung des Membranpotentials, Kap. 14), das durch Chloridkanåle verstårkt werden muss, um die Riechzelle zum Feuern zu bringen (Abb. 12.3). 20.2.5 Ein sensorisches Neuron hat wahrscheinlich nur einen molekularen Rezeptortyp; Geruchsinformation wird aber im Aktivitåtsmuster vieler Riechzellen codiert Wie kommt die Vielfalt der Geruchsempfindungen zustande? Die Zahl wahrnehmbarer Geruchsnoten ist weit græûer als die Zahl molekularer Rezeptoren OR. Deshalb ist von vornherein ein kombinatorisches Prinzip der Codierung zu vermuten. Kombinatorik ist gewiss im Spiel, wenn das Bukett eines Cocktails und der Duft einer kæstlichen Mahlzeit uns zum Zulangen auffordern. Nach momentan vorliegenden Indizien exprimiert jede Riechzelle nur eines der vielen hundert Allele, die fçr die Codierung von Duftstoffrezeptoren im Genom vorråtig sind (Shykind 2005).

20.3 Das Vomeronasal-Organ (Jacobson-Organ)

Dadurch gewinnt die Riechzelle eine gewisse Duftstoffselektivitåt, und es scheint, dass der molekulare Duftstoffrezeptor OR der Riechzelle auch dabei hilft, den richtigen Anschluss fçr ihr Axon im Bulbus olfactorius des Gehirns zu finden; denn die Riechzelle baut (wie oben schon gesagt) ihren spezifischen OR als ihr individuelles Kennzeichen auch in die Membran ihres Axons ein. Alle Riechzellen mit dem gleichen OR-Kennzeichen schicken ihre Axone zur gleichen Verrechnungsstelle im Bulbus olfactorius. Die Zellkærper der Riechzellen gleicher Selektivitåt sind zwar çber das gesamte Riechepithel verteilt ± womit die Wahrscheinlichkeit erhæht wird, dass ein Duftmolekçl auch eingefangen wird; die Axone der Riechzellen werden aber im Bulbus olfactorius sortiert und konvergieren auf wenige nachgeschaltete Neurone, die Mitralzellen (Abb. 20.3). Es kommt also zu einer råumlichen Abbildung der Duftinformation im Gehirn. In Analogie zur Somatotopie der Hautsinne und zur Tonotopie des Gehærs bezeichnen manche Autoren diese råumliche Sortierung nach Duftstoffrezeptor ¹Odotopieª. Kann ein Tier so viele Duftstoffe auseinander halten wie es OR-Gene besitzt? Also ein Mensch etwa 300±500, eine Maus etwa 1000? So wåre es, wenn es fçr jedes einzelne Rezeptorprotein OR genau eine chemische Verbindung gåbe, die an diesen OR binden und ihn damit aktivieren kann. Aber so ist es nicht. Elektrophysiologische Untersuchungen haben gezeigt, dass jede Riechzelle von mehreren unterschiedlichen Duftstoffen stimuliert werden kann: Duftstoffen, die sich in der Regel zwar strukturell åhnlich, aber doch nicht identisch sind. Freilich haben diese verschiedenen Duftstoffe unterschiedliche Affinitåten zum selben OR. Umgekehrt kann auch ein bestimmter Duftstoff mehrere, mit unterschiedlichen ORs ausgestattete Riechzelltypen stimulieren, wenn auch nicht alle mit gleicher Effizienz. Wie kommt es dennoch zur hæchst pråzisen Unterscheidung chemisch eng verwandter Duftstoffe? Wie kann es sein, dass unser Gehirn mit den relativ unspezifischen Riechzellen sogar isomere Verbindungen am Geruch unterscheiden kann? Die Antwort liegt in der Art der Informationsver-

arbeitung, die das Riechsystem einsetzt, um Gerçche zu analysieren. Das Gehirn interessiert sich nicht sosehr fçr das Signal, das eine einzelne Riechzelle zum Gehirn sendet, sondern es analysiert das Aktivitåtsmuster, das durch das stårkere oder schwåchere Feuern tausender Riechzellen im Bulbus olfactorius entsteht. Jede Spezifitåt hat in der Natur ihre Grenzen. Wie auch das Beispiel der Antikærper zeigt, gelingt es der Natur kaum, tausende verschiedene Rezeptoren mit so hochgradiger Spezifitåt auszustatten, dass sie jeweils nur einen einzigen Liganden binden kænnen. Immer findet sich irgendwo in der Natur oder der Retorte des Chemikers ein anderes Molekçl, das auch binden kann, wenn vielleicht auch schlechter. Daher gibt es Klassen von Duftstoffen, die jeweils an den gleichen molekularen Rezeptoren hången bleiben und folglich gleiche Empfindungen auslæsen. Eine solche Gruppierung der Duftstoffe in Klassen kann sogar biologisch sinnvoll sein. Beispielsweise kænnten chemisch åhnliche Liganden auch åhnliche toxische Eigenschaften haben. Wenn sie dann gleichartig widerlich riechen, kann dies biologisch durchaus zweckmåûig sein.

20.3 Das Vomeronasal-Organ (Jacobson-Organ) 20.3.1 Das Jacobson-Organ ist ein zweites, evolutionsgeschichtlich altes Riech-Schmeck-Organ Wenn eine Schlange zçngelt, fångt sie Duftmolekçle auf. Anschlieûend fçhrt sie ihre gespaltene Zunge in eine Doppelgrube im Dach des Gaumens, um ihre Zunge abzuriechen oder zu schmecken. Das Jacobson-Organ wird bei Amphibien und Reptilien gefunden, nicht bei Vægeln, aber bei Såugern ± einschlieûlich des Menschen. Bei Såugern wird es vomeronasales Organ genannt. Das paarige, schlauchfærmige Organ hat meistens çber eine Úffnung im Gaumen nahe den Schneidezåhnen Zugang zur Auûenwelt, seltener çber die Nasenhæhle (Nagetiere, Mensch). Das flçssigkeitsgefçllte Hohlorgan ist mit Sinneszellen ausgekleidet, die mit Mikrovilli ausgestattet sind. (Es nimmt damit morphologisch und funktionell eine Mittelstellung zwischen Geruchs- und

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20 Chemische Sinne

Geschmacksorganen ein.) Mit Geruchs-/Geschmacksstoffen beladener Speichel (oder Urin) wird in den Schlauch eingesogen, çberprçft und wieder herausgedrçckt. Vom vomeronasalen Organ fçhren Nervenbahnen çber einen gesonderten Bereich des Bulbus olfactorius in jene Bereiche des Hypothalamus, die mit Sexualverhalten zu tun haben, und in jene Gebiete, die Ekel oder Wohlwollen als Empfindungen generieren (limbisches System). Leitungen zum olfaktorischen Cortex, der die Information aus dem Riechhirn verarbeitet, sind nicht bekannt. 20.3.2 Das Vomeronasal-Organ der Såuger ist ein separates Riechorgan fçr soziale und sexuelle Signale; die Sensoren exprimieren eine eigene Klasse von Rezeptoren Wenn ein Antilopenhengst flehmt, das heiût seine Lippen schçrzt und den Kopf hebt, um den Eingang zum vomeronasalen Organ freizulegen (s. Abb. 20.2), prçft er, ob die Stute paarungsbereit ist. Zuvor bringt der Hengst seine Schnauzenspitze in Kontakt mit dem Urin der Stute. Dieser signalisiert dem Hengst ihre Willigkeit çber besondere Duftmolekçle, die sie selbst aus Sexualhormonen herstellt und mit dem Urin aussendet. Umgekehrt kænnen von den månnlichen Mitgliedern einer sozialen Gruppe Signalstoffe ausdçnsten, die bei den Weibchen den Ústrus (Hitze, Låufigkeit) induzieren und synchronisieren. Beim Menschen sollen Androsteroide im Schweiû der månnlichen Achselhæhle zu gewissen Zeiten auf Frauen stimulierend wirken. Die Parfçmindustrie wird diese Meinung zu nutzen wissen, fçr den Physiologen ist eine Beteiligung des vomeronasalen Organs jedoch unbewiesen. Solche im Dienste der Kommunikation stehende Signalmolekçle heiûen allgemein Pheromone (s. Kap. 25). Nach molekularbiologischen Untersuchungen werden die Rezeptormolekçle, die in der Zellmembran der Sensoren des vomeronasalen Organs stecken, von ca. 250 Genen codiert. Kombinatorik kænnte jedoch, wie im Riechepithel, ei-

ne weit græûere Menge von Gerçchen erfahrbar machen. Beim Menschen ist das VNO ein bis zu 1 cm langer Schlauch. Bei vielen Menschen scheint das VNO verkçmmert zu sein und keinen Zugang zur Auûenwelt zu haben. So denn der Mensch auch Pheromone (unbewusst) wahrnehmen sollte, dann wohl mit der Nase. Der Fetus allerdings hat noch ein VNO, dem man Funktionsfåhigkeit zutraut (Takani 2002). Das nåhrt Spekulationen, dass das Kind schon im Mutterleib von Pheromonen der Mutter geprågt werde.

20.3.3 Der Individualgeruch der Såuger kann fçr die Partnerwahl von Bedeutung sein Schon vor çber 20 Jahren berichteten japanische Forscher (Yamazaki et al. 1976), dass bei Måusen der immunologische Personalausweis mitbestimmend fçr die Partnerwahl sei. Dieser immunologische Ausweis besteht in Proteinmolekçlen, die auf der Oberflåche der Kærperzellen exponiert werden. Sie heiûen Major-histocompatibilitycomplex MHC, beim Menschen auch HLA (s. Kap. 7). Was hat dies mit Riechen zu tun? Im Urin der Måuse sind Duftstoffe enthalten, deren Komposition mit dem MHC-Typ korreliert sein soll. Måuse lassen sich auf eine persænliche Duftnote dressieren und sie zeigen spontane Pråferenzen fçr bestimmte Dufttypen bei der Partnerwahl. Worin die persænliche Duftnote oder der familientypische Nestgeruch begrçndet ist, ist nicht bekannt. Mutmaûlich gibt es nicht Abertausende von verschiedenen individualspezifischen Duftmolekçlen, sondern individualspezifische Buketts: Diverse Duftstoffe sind in wechselnden qualitativen und quantitativen Kompositionen zu einem einmaligen Duftstrauû gebçndelt. Gilt das auch fçr den Menschen? Der Mensch ist Quelle individualspezifischer Gerçche. Eineiige Zwillinge kænnen auch von trainierten Hunden nicht voneinander unterschieden werden. Selbstredend unterscheidet der brave Hund hingegen unschwer Herrchen von Frauchen und die geschwisterlichen Kinder, die nicht eineiige Zwillinge sind.

20.4 Der Geschmackssinn

Wir wissen heute auch noch nicht, welches Geruchsorgan bei den verschiedenen Såugern fçr die Wahrnehmung des Familien- und Individualgeruchs zuståndig ist, das Riechepithel, das vomeronasale Organ oder beide zusammen. 20.3.4 Auch der Mensch soll mittels Pheromonen heimliche Botschaften aussenden MHC-korrelierte Gerçche sollen auch beim Menschen die Mutter-Kind-Beziehung, Partnerwahl, Inzestschranke und Fehlgeburtenrate beeinflussen (Hatt 1991). Warten wir ab, was sich als Aberglaube erweist und was als erstaunlicher wissenschaftlicher Befund bestehen bleibt.

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Vorsicht! Versuche zu diesem Thema sind Mode. Aussagen vereinzelter Forscher finden leicht ein groûes Echo in den Medien; doch sind die angeblichen Befunde widersprçchlich. Noch fehlt eine plausible Hypothese, wie denn die individuelle MHC-Ausstattung jene Drçsenzellen und ihre Enzyme beeinflussen soll, welche die Duftstoffe herstellen.

Da es nun mal Mode geworden ist, stecken so manche Forscher und Versuchspersonen gern ihre Nase in die Achselhæhle ihrer Mitmenschen, bekanntermaûen eine Quelle streng riechenden Schweiûes (an dem allerdings eher Bakterien als menschliche Nasen Wohlgefallen finden). In Analogie zu Beobachtungen, çber die Tierhalter und experimentierfreudige Tierethnologen zu berichten wissen, werden den Geruchssubstanzen folgende Auswirkungen zugesprochen: l

Primer-Effekt. Im Wild- und Schafsgehege synchronisieren die Damen in Anwesenheit eines brçnstigen Mannes ihren Sexualzyklus (¹maleeffectª, Gelez 2004). Synchronisation des Menstruationszyklus soll es auch in Mådchenpensionaten geben (¹male-effectª??).

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Signaller-Effekt: Geruch soll der Mutter helfen, ihr eigenes Neugeborenes zu erkennen.

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Gerçche sollen Stimmungen signalisieren.

Auch Stimmungen erotischer Art? Selbstredend stçrzt sich die Presse ganz besonders auf solche Berichte (z. B. Grammer 2005). Ob nun solche Berichte auf Gerçchen beruhen oder bloû auf Gerçchten, sie werden gern gelesen, gehært und geglaubt. Und die Parfçmindustrie tut vieles, um solchen Glauben zu unterstçtzen. Ein interessanter Befund hierzu: Androstenon, ein Derivat des månnlichen Sexualhormons Testosteron, das auch vom Eber als Pheromon erzeugt und bei Sauen Paarungsbereitschaft stimuliert (Dorries et al. 1995, 1997), erzeugt bei etwa 50% der adulten Bevælkerung einen strengen Geruch (nach Jacob et al. 2005). Ob mehr als nur Geruch, wird nicht gesagt. Weiteres zum Thema Pheromone ist im Kap. 25.2 zu lesen.

20.4 Der Geschmackssinn 20.4.1 Die letzte Kontrolle der Nahrung wird einigen Tausend Geschmackssensoren çberlassen Der Geschmacks- oder Schmecksinn ist spezialisiert auf wasserlæsliche Komponenten der Nahrung, die Hinweise auf die Qualitåt der Nahrung vermitteln, wenn auch nur recht grobe. Der Geschmackssinn wird auch als chemischer Kontaktsinn klassifiziert. Bei Wirbeltieren wird er hauptsåchlich vermittelt durch sekundåre Sinneszellen, die morphologisch den Hærzellen åhnlich sind und die gruppenweise zu Geschmacksknospen zusammengefasst sind. Bei Fischen kænnen Geschmacksknospen çber die ganze Kærperoberflåche verteilt sein; bei Såugern sind sie im Munde konzentriert und vor allem auf der Zunge zu finden (Abb. 20.5 u. 20.6). Beim erwachsenen Menschen sind an der letzten Kontrolle der Nahrung 5000 bis 10 000 Geschmacksknospen mit je ca. 25 Sensorzellen beteiligt. Dieser Job ist offensichtlich so aufreibend, dass die Zellen wie auch die Riechzellen schon nach zwei Wochen Dienstzeit sterben und durch neue ersetzt werden mçssen (Nachschub çber immortale Stammzellen).

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20 Chemische Sinne Abb. 20.5. Zungenkarte: Verteilung der Papillen, welche die Geschmacksknospen tragen. Das traditionell gezeigte Verteilungsmuster der Geschmacksempfindungen ist revisionsbedçrftig

20.4.2 Nach althergebrachter Lehrmeinung verfçgt der Mensch bloû çber vier Geschmacksqualitåten 1. Sçû. Diese Qualitåt gibt Hinweise auf den Kohlenhydratgehalt der Nahrung. Neben den niedermolekularen Kohlenhydraten (Zuckern) schmecken auch einige Alkohole (Glycerin) und Aminosåuren (Glycin) sçû. Eine besonders hohe Sçûkraft hat ein Protein namens Thaumatin. Es çbertrifft die Sçûkraft von Kunstprodukten, welche die pharmazeutische Industrie dem Diabetiker anbietet, wie Cyclamat und Saccharin, um mehrere Græûenordnungen. Diese (unvollståndige) Aufzåhlung macht schon ein Dilemma der Forschung und Interpretation deutlich. Eine klare Zuordnung von chemischer Struktur und der Empfindung sçû ist bisher nicht gelungen. 2. Salzig. Diese Qualitåt hilft, die notwendigen Ionen zu besorgen, ein Ûbermaû jedoch zu vermeiden. Sehr geringe Dosen von NaCl und

KCl schmecken leicht sçû, mittlere Konzentrationen wçrzig, hohe Dosen von KCl bitter und abschreckend. 3. Sauer. In hoher Dosis eine Mahnung der Pflanzen, ihre noch unreifen Frçchte zu schonen. 4. Bitter. Eine oftmals çber ihre unbekæmmlichen giftigen Alkaloide ausgesprochene Warnung vieler Pflanzen, ihnen nicht zu Leibe zu rçcken. Alle diese vier Qualitåten kænnen im Einzelfall tåuschen. Auch Berylliumsalze und Saccharin, das Kunstprodukt der chemischen Industrie ohne Nåhrwert, schmecken sçû. Solchen nåhrwertfreien oder gar giftigen Sçûwaren dçrfte der Mensch im Zuge seiner Evolution allerdings nicht oft begegnet sein. Im Allgemeinen konnten sich unsere Vorfahren offensichtlich auf ihren Geschmack verlassen. Der Mensch neigt allerdings mitunter zum Masochismus: Saure, salzige und bittere Nahrungsmittel, in der Jugend noch instinktiv verschmåht, reizen den verwæhnten oder abgestumpften Geschmack des Alters.

20.4 Der Geschmackssinn

Abb. 20.6. Geschmacksknospen in einer Wallpapille (Papilla circumvallata) im hinteren Zungenbereich

20.4.3 Nach althergebrachter Lehrmeinung verfçgt der Mensch bloû çber vier Geschmacksqualitåten; der ¹Geschmacksverstårkerª Glutamat brachte dieses Dogma zum Einsturz Wenn alte Tradition von 4 Geschmacksqualitåten spricht, denen sie hypothetisch 4 Typen von Sinneszellen zuordnet, so hat dies guten Grund. Fållt beispielsweise die Empfindung ¹sçûª aus, sei es aufgrund eines Erbdefektes, sei es aufgrund einer pharmakologischen Behandlung, wird keine Substanz mehr als sçû empfunden. Nach Darstellungen vieler Lehr- und Schulbçcher sollen die 4 Grundqualitåten in verschiedenen Arealen der Zunge wahrgenommen werden, ¹sçûª beispielsweise an der Zungenspitze, ¹bitterª im Zungen-

grund (Abb. 20.5). Die sei Jahrzehnten gezeigte Zungenkarte ist jedoch falsch. Zwar gibt es Bereiche maximaler Empfindlichkeit fçr diese oder jene Qualitåt, doch kænnen mit geeigneter Dosis von Prçfstoffen die 4 Grundqualitåten çberall hervorgerufen werden. Dies mahnt, Lehrbuchaussagen nicht den Stellenwert eines Dogmas einzuråumen. Japaner bekunden, das Natrium- oder Kaliumsalz der Aminosåure Glutamat habe fçr sie eine eigene Geschmacksqualitåt (umami = kæstlich, nach Fleisch schmeckend). Es ist nun auch ein entsprechender molekularer Rezeptor fçr Glutamat entdeckt worden (s. 20.4.4). Na+-Glutamat wird von der Lebensmittelindustrie Fertigprodukten als Geschmacksverstårker beigegeben. ¹Geschmacksverstårkerª dçrfte allerdings nicht nur fçr Japaner eine Fehlbenennung sein, die dem alten Glauben an nur 4 Geschmacksqualitåten Tribut zollt. Die Verfasser dieses Buches raten, einmal Mononatrium-Glutamat auf der Zunge zergehen zu lassen. Sie dçrften nicht die einzigen Europåer sein, die ¹Suppen-Gewçrzª oder ¹Fleischbrçheª schmecken. Verschiedene Tiere (Måuse, Ratten) kænnen darçber hinaus eine Reihe weiterer Aminosåuren als besondere Qualitåt von anderen sauren Substanzen unterscheiden. Viele Versuche belegen jedoch auch, dass die individuellen Unterschiede in der Geschmackswahrnehmung sehr groû sein kænnen. Manche Substanzen schmecken dem einen bitter, der andere nimmt sie gar nicht wahr. Eltern sollten ihrem Kind nicht ¹gesundesª Gemçse aufzwången wollen, das dem Kind bitter aufkommt und zuwider ist, auch wenn es den Eltern selbst bekæmmlich sein mag. Der Geschmack ist in der Tat Geschmackssache ± und åndert sich im Laufe des Lebens (wie dies auch fçr die Empfindungsqualitåten so mancher Gerçche zutrifft). Empfindungen wie scharf, metallisch, laugig, fettig, wåssrig spricht man den Charakter einer eigenen physiologischen Geschmacksqualitåt ab. Sie werden interpretiert als Mischempfindungen, bei denen Tast-, Schmerz- oder Temperatursinn mit im Spiele sind. Das mag durchaus so sein, doch sind den Verfassern dieses Buches physiologische Belege fçr diese Auffassung nicht bekannt.

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Bei gut oder schlecht ¹schmeckendenª Gerichten allerdings ist evident, dass der Geruchssinn oft einen græûeren Beitrag zum Wohlbehagen oder Widerwillen beitrågt als der Geschmackssinn. Bei total verschnupfter Nase ¹schmeckenª viele Speisen nicht (Box K20).

20.4.4 Beim Geschmackssinn sind, anders als in den Riechzellen, verschiedene Transduktionsmechanismen im Spiel Salzig: Der Geschmack von Kochsalz wird hauptsåchlich durch die Na+-Ionen vermittelt. Salzempfindliche Geschmackszellen haben Na+-Kanåle in ihrer apikalen Membran, die an der Zungenoberflåche liegt. Sind Na+-Ionen in der Nahrung in çberschwelliger Dosis vorhanden, dringen sie durch diese Kanåle in die Geschmackszellen und depolarisieren deren Membran (Abb. 20.7). Speichel hat eine sehr niedrige Na+-Konzentration. In Abwesenheit gesalzener Speisen flieût daher kein Na+-Strom, und die Zelle kann ihr Ruhepotential halten. Sauer: Protonen (H+) bzw. Hydronium-Ionen (H3O+) sollen die Kaliumkanåle verschlieûen und so eine Depolarisation bewirken. Da Protonen praktisch alle Ionenkanåle modulieren, kommen auch noch andere Mechanismen in Betracht. Ein akzeptiertes Modell fçr die Transduktion von Sauergeschmack beim Menschen gibt es noch nicht. Sçû: Der Sçûgeschmack wird çber einen metabotropen Signalweg vermittelt. Sowohl Zucker als auch andere Sçûstoffe aktivieren einen dimeren Rezeptor in den sensorischen Mikrovilli der Geschmackszellen. Dieses Rezeptorpaar (T1R2/ T1R3, Taste Receptor) gibt das sensorische Signal çber ein G-Protein in die Zelle weiter und aktiviert das Enzym Phospholipase C. Auf noch nicht genau geklårte Weise fçhrt dies zur Úffnung von Kationenkanålen (TRPM5-Kanålen) und damit zur Depolarisation.

Abb. 20.7. Antwort einer Geschmackszelle auf Stimulation mit Kochsalz. Die dissoziierten Na+-Ionen stræmen durch Na+Kanåle in die Zelle ein und verursachen so eine Depolarisation. Dadurch æffnen sich spannungsgesteuerte Ca2+-Kanåle in der Nåhe der afferenten Synapse und Ca2+-Ionen flieûen von auûen ins Cytoplasma ein. Diese Ca2+-Ionen werden benætigt, damit an der Synapse per Exocytose Transmitter in den synaptischen Spalt entlassen werden kænnen

Bitter: Bitterrezeptoren reagieren auf sehr geringe Konzentrationen von Bitterstoffen. Solche Stoffe (z. B. Nicotin, Strychnin oder Denatonium) binden ebenfalls an dimere Rezeptoren, die allerdings anders zusammengesetzt sind als die Sçûrezeptoren. In der gegenwårtigen Namensgebung

20.4 Der Geschmackssinn

werden sie als T2RX bezeichnet, was besagen will, dass sich verschiedene Isoformen der T2R-Proteine paaren kænnen. Es gibt wohl eine ganze Reihe unterschiedlicher T2RX-Kombinationen, um eine Vielfalt bitterer, das heiût oft giftiger, Substanzen rechtzeitig schmecken zu kænnen, bevor man sie mit unangenehmen Folgen herunterschluckt (s. 20.4.6). Umami: Auch fçr den Geschmack von Natriumglutamat hat man ein spezifisches Rezeptorpaar entdeckt (T1R1/T1R3). Geschmackszellen mit dieser Rezeptorkombination reagieren nicht auf Zucker, sondern nur auf Natriumglutamat. Mit dieser Entdeckung ist der Umami-Geschmack eindeutig als eigenståndige Geschmacksqualitåt definiert. 20.4.5 Die Arbeitsbereiche einzelner Geschmackssinneszellen sind mæglicherweise çberlappend; erst das Aktivitåtsmuster vieler Sinneszellen vermittelt reich differenzierte Empfindungen Wenn KCl im Gegensatz zu NaCl nicht nur salzig, sondern auch bitter schmeckt (und mehr noch das ¹Bittersalzª Magnesiumsulfat), so dçrfte das daran liegen, dass KCl eben nicht nur die Salzspezialisten stimuliert, sondern auch die Bitterspezialisten. Umgekehrt darf hypothetisch angenommen werden, dass ein und dieselbe Sinneszelle sowohl die Empfangssysteme fçr Bitterstoffe wie fçr monovalente Kationen haben kann (und vielleicht noch mehr). Wie aber kænnte dann das Gehirn zu einer Unterscheidung von Qualitåten kommen und gar noch von Intensitåten? Das wåre mæglich, wenn viele Sensoren mit çberlappenden Arbeitsbereichen vorlågen. Die Sinneszellen an dem einen Ende der Skala wåren nur mit molekularen Rezeptoren fçr Bitterstoffe, die am anderen Ende nur mit den Sensoren fçr Kationen ausgestattet, und zwischen diesen Extremen lågen Mischtypen mit beiderlei Sensoren in steigenden oder fallenden Verhåltnissen. Die Auswertstationen im ZNS mçssten dann Vergleiche ziehen. Ein Auswertsystem, in dem die Meldun-

gen vieler verschieden spezialisierter Sinneszellen miteinander verglichen und verrechnet werden, hatten wir auch beim Geruchssinn kennen gelernt, und werden wir beim Sehsinn ebenfalls kennen lernen. 20.4.6 Die Evolution hat eine Vielfalt an Bitterrezeptoren auch beim Menschen hervorgebracht Seit langem ist bekannt, dass manche Menschen die Testsubstanz Phenylthiocarbamat als bitter empfinden, andere nicht. Die Identifikation von Genen fçr Bitterrezeptoren im menschlichen Genom ermæglicht neuerdings umfangreiche populationsgenetische Studien. Bislang sind 25 Gene identifiziert worden. Mit ihren allelen Varianten kænnen sie potentiell 151 verschiedene Bitterrezeptoren erzeugen (Takani 2002). Es zeigt sich, dass in verschiedenen Regionen der Erde Menschen verschiedene Pflanzen als bitter empfinden. Der Genpool einheimischer Populationen enthålt ein fçr diese Region charakteristisches Spektrum an Rezeptorgenen. Erklårungen hierfçr liegen auf der Hand. Bitter warnt vor giftigen Pflanzen. In Sçdafrika, Sçdostasien und Europa ist die Pflanzenwelt sehr unterschiedlich. Hier ist dieses Spektrum von Rezeptoren, dort jenes von Vorteil. Hier kann auf diesen Typ verzichtet werden, dort auf jenen. Es darf daher erwartet werden, dass auch die Geschmåcker verschieden sind. Die groûe Zahl von Bitterrezeptoren beginnt allmåhlich, neue Vorstellungen und eine Ønderung der Terminologie anzuregen. Manche Autoren sprechen nun von Bittermodalitåt, unter der verschiedene Bitterqualitåten zusammengefasst sind (z. B. Zhang 2003; Green 2004; Ozek 2004; Scott 2004). Mit anderen Worten: Man erwågt, ob es nicht verschiedene Bitterempfindungen geben kænnte.

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20.4.7 Ein weiteres chemosensitives System, das Trigeminussystem, erweitert und ergånzt Geruchs- und Geschmackssinn Warum tut sich die physiologische Wissenschaft so schwer, Empfindungen unserer Alltagserfahrung aufzugliedern und einzelnen Sinnesorganen und ihren Sensoren zuzuordnen? Wie man es drehen und wenden will, so manche Empfindungen waren und sind schwer dem klassischen Geruchsund Geschmackssinn zuzuordnen. Im Riechversuch beispielsweise læsten diverse Testsubstanzen wie Eukalyptus noch Empfindungen aus, auch wenn der Riechnerv durch lokale Narkose stillgelegt war. Andere Testsubstanzen schienen zu riechen und zu schmecken. Allmåhlich læsen sich Widersprçche auf. Die Schleimhåute des Nasen- und Mundraumes sind mit dendritischen Fasern des Nervus trigeminus innerviert. (In dieser Aussage steht ¹Trigeminusª stellvertretend fçr weitere Hirnnerven mit sensorischen Komponenten: N. facialis, N. glossopharyngeus und N. vagus). Diese dendritischen Fasern sprechen ohne Vermittlung der traditionellen Geruchs- und Geschmackssensoren auf Substanzen an, die uns vor Gefahrenquellen warnen oder uns abhalten sollen, die Produzenten solcher Substanzen zu verzehren. l

Stechend-beiûend ¹riechenª Salzsåure, Chlorgas, Ammoniak.

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Brennend scharf ¹schmeckenª Piperidin, Capsaicin und andere Komponenten des Peperoni.

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Sowohl auf Riechsinneszellen wie auf Trigeminussensoren wirken Eukalyptus, Menthol, Buttersåure.

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Sowohl auf Geschmacks- wie Trigeminussensoren wirken Chemikalien des Labors wie Chloroform und Pyridin.

Auch die alltågliche, scheinbar jedermann vertraute Welt des Riechens und Schmeckens birgt noch viele Råtsel und hat noch viele Ûberraschungen bereit (s. Box K20).

20.5 Geruchs- und Geschmackssinn bei Tieren 20.5.1 Wirbeltiere: Makrosmaten lassen uns durch ihre Leistungen erstaunen; bei Lachsen ist eine geruchliche Prågung nachgewiesen Fçr manche Wissenschaftler besteht Wissenschaft vor allem in der Kunst, bedeutend klingende Fremdworte zu erfinden. Wozu hat der Humanist schlieûlich Latein und Griechisch gelernt. Fçr solche Leute gibt es Makrosmaten und Mikrosmaten; der Mensch zåhlt zu den Mikrosmaten. Ob nun freilich ein Makrosmat mehr verschiedene Dçfte als der Mensch oder vielleicht gar weniger aber mit hæherer Empfindlichkeit wahrnimmt, verråt der (griechische) Begriff nicht. Hunde sind auf Fettsåuren spezialisiert. Auch ein Gummistiefel ist bald durchlåssig genug, um dem Hund eine Spur des Fuûschweiûes seines Herrn zu legen. Da verschiedene Fettsåuren sich verschieden rasch verflçchtigen, åndert sich die quantitative Zusammensetzung der Spur entlang des Weges. Der erfahrene Hund weiû, in welche Richtung er laufen muss, um den Anschluss an die Jagdgesellschaft wiederzufinden. Lachse und Amphibien finden ihre Laichgewåsser unter anderem nach deren Geruch (Geruchsorgan eines Fisches: Abb. 20.8). Jedes Gewåsser hat seine besondere Duftnote, die vom Untergrund (Gestein, Boden) und Pflanzenbewuchs bestimmt wird. Sogar wir kænnen einen nahen Teich riechen. Wanderfische und Amphibien werden in ihrer frçhen Jugend auf den Geruch ihrer Laichgewåsser geprågt. In den USA sind Seelachse in ihrer Jugend im Labor auf Duftstoffe geprågt worden, die in natçrlichen Gewåssern nicht vorkommen. Die Hålfte der Jungfische wurde auf das heterocyclische Amin Morpholin geprågt, die andere Hålfte auf Phenylethanol. Wåhrend der Prågephase nahm die Sensitivitåt auf diese Geruchsstoffe spezifisch zu. Die Seelachse wurden in den MichiganSee entlassen. Eineinhalb Jahre spåter, als die Lachse geschlechtsreif geworden waren, suchten

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Geschmack gefunden? Es gibt noch viel zu entdecken. Nach unserer Empfindung kænnen Speisen vielfåltig aromatisch und gar ¹himmlischª schmecken, nach unseren Schulbçchern jedoch ist unser Geschmack nur kårglich ausgestattet: Lediglich sçû, sauer, salzig und bitter sind anerkannte Qualitåten; gegen groûe Widerstånde wird allmåhlich wenigstens den Japanern zusåtzlich ein ¹umamiª-Geschmack zugebilligt (wiewohl auch hierzulande die Lebensmittelindustrie seit langem reichlich von ¹Geschmacksverstårkernª Gebrauch macht). Dem Geruch hingegen traut man schier Unendliches zu (extrem: Patrick Sçskind: Das Parfçm). Findet man bei einer wissenschaftlichen Literaturrecherche unter Stichworten wie ¹smell, scent, fragrance, odourª und ¹olfactory/olfactionª zahllose Titel, so unter ¹tasteª und ¹gustationª nur wenige. Wie kommt es zu dem Unterschied zwischen subjektivem Empfinden und der Lehrbuchaussage? Das wichtigste Argument ist eine negative Erfahrung: Bei vællig verstopfter Nase schmecken viele Speisen nicht mehr, und so mancher kann mit verbundenen Augen keinen (Såureund Zucker-armen) Apfel mehr von einer rohen Kartoffel unterscheiden. Sollte sich jemand fragen, weshalb er/sie auch mit verschnupfter Nase verschiedene Fruchtsåfte, von Ananas- bis Zitronensaft, unterscheiden kann, wenn auch mit verminderter Deutlichkeit, wird auf den Nasenrachengang verwiesen. Flçchtige Substanzen kænnten auch ¹retronasalª vom Mundraum aus und nicht nur ¹orthonasalª çber die Nasenlæcher die Riechschleimhaut erreichen, und fçr einige flçchtige Substanzen ist dies auch nachgewiesen (Rozin 1982; Cerf-Ducastel et al. 2001; Sun u. Halpern 2005). Solche Forschungsbefunde wie auch Erkenntnisse, die aus partieller Geschmacksblindheit und pharmakologischen Blockaden abgeleitet sind, belegen, dass der Geruchssinn in groûem Umfang auch den ¹Geschmackª unserer Speisen

und Getrånke bestimmt, aber nicht, dass es nur 4±5 Geschmacksqualitåten gibt. Gibt es positive Befunde, welche die traditionelle Lehrmeinung beståtigen, jeder Geschmack sei aus nur 4 bis 5 Qualitåten zusammengesetzt? Es gab den Vorschlag (Skramlik 1937), versuchsweise alle Geschmacksempfindungen durch Mischung von vier Stoffen hervorzurufen, welche die klassischen Qualitåten sçû, sauer, salzig und bitter repråsentieren, z. B. (in Klammern: heute oft als Standard benutzt): A = Fructose (Saccharose), B = Kaliumtartrat (Zitronensåure), C = Kochsalz, D = Chininsulfat (oder Phenylthiocarbamid PTC) Die Læsung einer zu prçfenden Substanz werde Mischlæsungen gegençbergestellt nach einer im Prinzip sehr einfachen Mischungsgleichung: nS  xA + yB + zC + vD, hierbei sei S die zu testende Substanz, die mit der Molaritåt n mol/l angeboten wird. Die Molaritåten der anderen Substanzen seien x, y, z, v. Alle Molaritåten seien solange zu variieren, bis die Læsung von S genau so schmeckt wie eine bestimmte Mischung von A + B + C + D. Der Versuchsansatz gliche dem erfolgreichen Versuch, durch additive Mischung von drei monochromatischen Lichtern 435 nm (¹Blauª), 546 nm (¹Grçnª) und 700 nm (¹Rotª) alle mæglichen Farbtæne einschlieûlich Gelb hervorzurufen, was die trichromatische Theorie des Farbensehens begrçndete und dem RGB Farbsystem des Fernsehbildschirms zugrunde liegt (Kap. 22). Eine Bitte: Man nehme Salz, Zucker, Chinin und Salzsåure (aber nicht Zitronensåure) und mixe ein Getrånk, das nach Zitrone schmeckt. Wer ein Rezept gefunden hat, teile es uns bitte mit (die Autoren dieses Buches). So ganz einfach ist das Auffinden eines solchen Rezeptes nicht. Es gibt einen erheblichen Unterschied zwischen dem Seh- und dem Geschmackssinn. Bestrahlt man das Auge mit "

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20 Chemische Sinne

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435 nm mit verschieden hohen Intensitåten (Photonenstromdichten), so wird verschieden intensives Blau gesehen; Blau bleibt aber Blau und wird nicht Grçn, Rot oder Weiû. Anders beim Geschmackssinn. Die Art einer Geschmacksempfindung hångt auch von der Konzentration einer Substanz ab. Kochsalz schmeckt bei einer Konzentration < 0,01 mol/l nicht salzig, sondern schwach sçû. KCl schmeckt bei 0,01 mol/l stark sçû, bei 0,04 mol/l bitter und bei 0,2 mol/l gleichzeitig salzig, bitter und sauer (Angaben aus C. von Campenhausen: Die Sinne des Menschen, 1. Aufl. 1981). Offenbar kann eine Substanz mehrere Typen von Sensoren erregen. Man muss also Konzentrationsreihen testen. Da nun aber die Konzentration einer Læsung çber mehrere Zehnerpotenzen und in beliebig feinen Abstufungen variierbar ist, ergeben sich schon bei 5 Substanzen praktisch unendlich viele Versuchsmæglichkeiten. Man mçsste auch fçr jede Testreihe mindestens 10 Versuchspersonen haben, um unterschiedliche Empfindlichkeiten und partielle Geschmacksblindheit einzelner Personen herauszumitteln. Weit sind solche psychophysischen Versuche verståndlicherweise nicht gediehen, und so ist die alte Lehrweisheit, jeglicher Geschmack beruhe auf einer Mischung der 4 bis 5 kanonischen Grundqualitåten, bis heute weder bewiesen noch widerlegt. Zwar gab es durchaus experimentell begrçndeten Zweifel am traditionellen Dogma (z. B. Schiffmann u. Erickson 1980; Schiffmann 2000). Lehrbçcher der Humanphysiologie wie auch die weitere Forschung nahmen jedoch davon kaum Notiz. Die Einengung auf das traditionelle Schema ist auch darauf zurçckzufçhren, dass die Forschung sich ganz auf die Geschmackspapillen der Zunge konzentrierte ± was schwierig genug ist ± und die ¹Gaumenfreudenª dem Feinschmecker çberlieûen. Stichwort ¹Gaumenª. Hier finden sich neben Geschmackspapillen besonders viele dendritische Fasern des Trigeminus. Das Trigeminussys-

tem wird çblicherweise der ¹Somatosensorikª zugeordnet, also dem Hautsinn mit seinen Tast-, Kalt-, Warm- und Schmerzsensoren. Unzweifelhaft spielen solche Modalitåten auch beim ¹Geschmackª eine Rolle. Menthol empfinden wir (fålschlich) als kçhlend, Piperin, ein Scharfstoff des Pfeffers, und Capsaicin, eine Hauptkomponente des Paprikas (Capsicum annuum) und der Peperoni-Sorten (Chili, Cayennepfeffer, Capsicum frutescens), empfinden die meisten Menschen in hæheren Konzentrationen als ¹scharfbrennend (hot)ª und ¹schmerzhaftª. Doch auch dies belegt nicht, dass es nicht auch Substanzspezifische Empfindungen gåbe. Capsaicin und verwandte Substanzen in Salben und ¹Wårmepflasternª erzeugen keine physikalische Wårme, aber doch Wårmeempfindungen; unter die Haut injiziert, erzeugen sie Schmerzen (Iida et al. 2003), aber nirgends im Kærper auûer im Mund den typischen ¹Peperoni/Chili-Geschmackª. Dass sich jçngst sogar in RNA, die aus der Zunge extrahiert worden war, RNA von molekularen Rezeptoren nachweisen lieû, die den Duftrezeptoren gleichen (Durzynski et al. 2005), bestårkt Zweifel. Auch berichten Forscher, die Neurone aus dem Trigeminusganglion von Nagern in Kultur nahmen und elektrophysiologisch befragten, dass es, åhnlich wie bei Riechsinneszellen, Neurone mit unterschiedlicher und spezifischer Ansprechbarkeit auf flçchtige Substanzen gibt (Inouet u. Bryant 2005). (Trigeminusneurone sind mit ihren dendritischen Fasern primåre Sinneszellen, die unmittelbar von Geschmacks-/Geruchsstoffen gereizt werden kænnen und ihre Erregung durch Feuern von Aktionspotentialen mitteilen). Es sind Pionierversuche auf mehreren Ebenen mæglich. Einen ersten, lustvollen (¹hedonicª in der Fachsprache der Psychophysiker) Vorgeschmack kænnte man sich verschaffen, indem man unvoreingenommen von der Lebensmittelindustrie verwendete Geschmacksstoffe, die beispielsweise Speiseeis zum ¹Ananaseis, Bananen-

"

20.5 Geruchs- und Geschmackssinn bei Tieren

BOX K20 (Fortsetzung)

eis, Erdbeereis oder Zitroneneisª machen oder als ¹Geschmacksverstårkerª deklariert werden, in chemisch reiner Form und mit verschlossener Nase auf ihren Geschmack prçft. Zeitgemåûe professionelle Forschung verlangt jedoch ein Labor, das molekularbiologische und elektrophysiologische Methoden einzusetzen weiû. Man kann cDNA-Banken erstellen (leider kaum vom Gaumendach des Menschen) und mit degenerierten Sonden nach Homologen bekannter Rezeptorsorten suchen (wie Durzynski et al. 2005) oder mit differentiellen Methoden (cDNA-Subtraktion, differential display reverse transcrip-

Abb. 20.8. Nasengrube eines Fisches. Rot: Lamellen mit Riechepithel

sie, wie es Lachse so an sich haben, Flçsse auf, um zu laichen. In den Zufluss, der mit Morpholin versetzt wurde, wanderten die morpholingeprågten Lachse ein, in einen phenylethanolmarkierten Zufluss die phenylethanolgeprågten Lachse. 20.5.2 Insekten: Sogar die Fçûe der Fliege tragen Schmecksensillen Duftstoffe verraten einem Insekt, l

wo es etwas zu fressen und zu naschen gibt,

tion polymerase chain reaction DDRT-PCR) und viel Glçck nach neuartigen Rezeptoren fahnden. Man kann das Genom des Menschen oder humane EST-Banken nach Kandidatengenen fçr Rezeptoren absuchen und mit in-situ-Hybridisierung nachsehen, ob sie in Sinneszellen des Mundraums exprimiert werden. Und man kann mit in Kultur genommenen Sinneszellen elektrophysiologisch arbeiten (Inouet u. Bryant 2005). Erfolge sind in der Wissenschaft nicht leicht zu gewinnen, doch schmecken Erfolg und unerwartete Erkenntnis vorzçglich.

l

ob eine Pflanze gefåhrlich sein kann,

l

wo der gesuchte Partner fçr das Liebesleben zu finden ist,

l

wo der heimatliche Wohnbereich ist,

l

wo im dunklen Nest die hungrige Brut zu suchen ist.

Jedes Blatt, jede Blçte und jede Frucht einer Pflanze ist von einer Wolke flçchtiger Substanzen umhçllt. Um eine Sonnenblume schweben çber 100 verschiedene Molekçle. Insekten, namentlich die in der Verhaltensphysiologie als willige Mitspieler so geschåtzten Bienen, sind in der Lage, bestimmte Duftmolekçle, mit denen das Zuckerwasser versetzt wird, von den isomeren Varianten dieser Duftmolekçle zu unterscheiden. Sie kænnen auch auf komplexe Buketts, auf Kombinationen von Duftreizen, dressiert werden. Besonders bedeutsam fçr Insekten sind Duftstoffe, die dem Aufbau eines Staates mit seiner Klassengesellschaft oder sonstwie der sozialen Kommunikation dienen. Darauf geht Kapitel 25 nåher ein. Wenn wir in Analogie zu den Verhåltnissen bei Wirbeltieren den Geruchssinn als Fernsinn definieren, den Geschmackssinn als Nahsinn zur Prçfung der Nahrung, werden wir wohl vermuten, der Geruchssinn sei wohl auf den Antennen, der

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20 Chemische Sinne

Geschmackssinn im Munde lokalisiert. Unsere Vermutung ist nur zum Teil richtig. Wir finden l

Geruchssensillen auf den Antennen. Antennen sind oftmals federfærmig aufgefåchert und mit Tausenden von Riechsensillen çbersåt. Antennen wirken als Molekçlfånger. Ein paar Duftmolekçle des weiblichen Pheromons gençgen, um dem Faltermånnchen den Weg zur Ersehnten zu weisen. Anders als Blçten- oder Blattduft, muss ein Pheromon nicht nur hæchst sensitiv, sondern auch hochspezifisch identifiziert werden, will der Falter nicht an der ¹Naseª (Antenne) herumgefçhrt werden.

l

Geschmackssensillen ± auf den Antennen (Fçhlern), die ja beweglich sind und auch in Kontakt zu einem fraglichen Objekt gebracht werden kænnen; ± im Mundbereich, vor allem auf dem Labium, ± auf dem Rçssel, ± auf den Tarsen der Vorderbeine!

Wenn eine Fliege çber den Tisch låuft, streckt sie augenblicklich ihren Rçssel aus, sobald eines ihrer Vorderbeine auf eine (mehr oder weniger eingetrocknete) Zuckerlæsung tapst. Tastborsten im Bereich der Fçûe sind an ihrer Spitze mit einer Úffnung versehen, zu der die reizaufnehmenden Dendriten von chemosensorischen Neuronen hinfçhren (Abb. 20.9). Diese Úffnung wirkt auch wie eine dçnn ausgezogene Pipette: Wåssrige Læsungen werden durch Adhåsions-/Kohåsionskråfte eingesogen. Oft haben Insekten auch Hygrorezeptoren, mit denen sie gasfærmiges und flçssiges Wasser aufspçren kænnen. Fçr die Biene haben verschiedene Zucker eine abgestufte Reizqualitåt in der gleichen Rangfolge wie beim Menschen: Saccharose (sucrose) > Fructose = Glucose > Galactose. Wie dem Menschen kann man auch den Bienen mit NaCl die sçûe Suppe versalzen, und bittere Alkaloide vergållen ihnen den Spaû. Andererseits nehmen viele Raupen und Schmetterlinge bestimmte Alkaloide

Abb. 20.9. Riechsensillum auf der Antenne eines Insekts. Die oben offene Cuticularæhre mit dem Chemosensor saugt çber Kapillarkråfte wåssrige Læsungen ein. Das Sensillum enthålt neben Chemosensoren auch einen Mechanosensor, der die Ablenkung des Cuticularhaares registriert. Gezeigt ist auch eine Mæglichkeit, die elektrischen Signale abzuleiten

ihrer Futterpflanzen auf und speichern sie, um selbst ungenieûbar zu werden. Man nennt dies Pharmakophagie. 20.5.3 Auf molekularem Niveau findet man çberraschende Homologien zwischen Insekten und Wirbeltieren Morphologisch sieht man zwischen den verschiedenen Chemosensillen der Insekten und den chemischen Sinnen der Wirbeltiere keinerlei Homologien. Umso çberraschender ist, dass auf molekularem Niveau solche Homologien zutage treten. Es gibt Homologien bei den Odor-binding pro-

20.5 Geruchs- und Geschmackssinn bei Tieren

teins OBP und bei G-Protein-gekoppelten Transmembranrezeptoren. 20.5.4 Soziale Insekten verståndigen sich mittels einer reichen chemischen Sprache Dem Riechen und Schmecken stehen die Produktion und das Aussenden chemischer Signale gegençber. Håufig sind es geradkettige, ungesåttigte Alkohole und Aldehyde, die Signalfunktion erhalten haben, aber auch komplizierte Molekçle sind im Gebrauch wie beispielsweise Alkaloide, die man sich von Pflanzen besorgt. Besonders soziale Insekten wie Ameisen haben sich, åhnlich wie Såugetiere, chemisch viel zu sagen, beispielsweise l

sendet man bei Gefahr Alarmpheromone aus,

Zusammenfassung des Kapitels 20 Die sich an unserer Erfahrungswelt orientierende Lehrtradition kennt zwei chemische Sinne: den Geruchssinn, der kleine Molekçle einfångt, die aus der Ferne von der Luft (oder von Wasser) herangetragen werden, und den Geschmackssinn, der im Mundraum Natur und Qualitåt der Nahrung prçft. Es gibt jedoch nicht nur in der Tierwelt eine weiter gefåcherte Sammlung chemischer Sinne. So haben wir einen allgemeinen chemischen Warnsinn, der in der Hornhaut des Auges und in der Schleimhaut des Mundes stechende Schmerzen auslæsen kann, und wir haben chemische Sinne, deren Meldungen nicht in unser Bewusstsein dringen: Enterorezeptoren, die den Gehalt des Blutes an Glucose und CO2 messen, und wir haben, wie alle Såugetiere, auûer der Riechschleimhaut çber dem Gaumen ein vomeronasales Organ, das bei vielen Såugetieren zum Empfang von Pheromonen spezialisiert ist und im Dienst der sozialen Kommunikation und der Koordination sexueller Aktivitåt steht, beim Menschen freilich weitgehend degeneriert

l

bringt man Duft- und Schmeckproben einer gefundenen Nahrung mit,

l

legt man Spuren, um anderen den Weg zu weisen oder um selbst wie an einem Ariadnefaden wieder heim ins Nest zu finden,

l

macht man sich mit Parfçm attraktiv fçr das andere Geschlecht,

l

grenzt man mit abschreckenden Duftkomponenten sein Territorium ab,

l

macht man sich mit Dçften kenntlich als Mitglied einer Kolonie (Familie) oder einer Art.

Gehært man nicht zur gleichen Gruppe, zum gleichen Clan ¹kann man sich nicht riechenª. Manche sagen, dies gelte nicht nur fçr Insekten, sondern auch fçr den Menschen.

ist. Dennoch glaubt man, dass auch der Mensch mittels seiner Nase (unbewusst) Pheromone rezipieren kann. In der Riechschleimhaut der Såuger fangen læsliche Duftstoff-Bindeproteine OBP (odorbinding proteins) der Schleimschicht flçchtige Duftstoffe ein und fçhren sie an die Cilien sensorischer Neurone heran. Die Cilien eines Neurons sind mit molekularen Rezeptoren besetzt, die Molekçle einer Duftstoffklasse auffangen. Die molekularen Rezeptoren haben, wie viele Hormonrezeptoren, 7 Transmembrandomånen und sind G-Protein-gekoppelt. Bei Såugern gibt es ca. 1300 unterschiedliche Gene fçr Duftstoffrezeptoren, von denen allerdings beim Menschen zwei Drittel funktionslose Pseudogene sind. (1300 Gene kænnen im Extremfall 2600 verschiedene Allele bedeuten.) Vermutlich exprimiert jede Riechzelle nur je ein Allel dieser Gene. Alle çber die Riechschleimhaut verstreuten sensorischen Neurone mit dem gleichen Duftstoffrezeptor speisen ihre Meldungen in denselben Glomerulus des Bulbus olfactorius ein, der seinerseits die gesammelten Meldungen an verschiedene Zentren des Telencephalon

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20 Chemische Sinne

und des Stammhirns weitergibt. Aus den Meldungen der verschiedenen sensorischen Neurone werden in der Empfindung unzåhlig viele verschiedene Duftbuketts zusammengestellt. Die Informationsverarbeitung im Riechsystem basiert auf dem Prinzip der Musteranalyse. Der Geschmackssinn wird hauptsåchlich von sekundåren Sinneszellen mit apikalem Mikrovillibesatz vermittelt. Nach traditioneller Lehrmeinung gibt es nur 4 Typen von Sinneszellen, welche die Empfindung sçû, sauer, salzig und bitter vermitteln. Das hierzulande als bloûer Geschmacksverstårker eingestufte Natriumglutamat vermittelt die Empfindung ¹umamiª (wçrzig, nach Fleisch schmeckend). Nager kænnen Aminosåuren und diverse Polysaccharide unterscheiden. Fçr ¹bitterª, eine Warnempfindung, die vor giftigen Nahrungskomponenten warnt, gibt es auch beim Menschen entsprechend der Vielfalt mæglicher Pflanzengifte > 150 verschiedene molekulare Rezeptoren. In verschiedenen Regionen der Er-

de sind einheimische Populationen mit einer unterschiedlichen Auswahl von Rezeptorgenen ausgestattet. Es gibt Indizien, dass zumindest die Qualitåt ¹bitterª besser als Modalitåt klassifiziert werden sollte, unter der es verschiedene Bitterqualitåten gibt. Eine Reihe unserer Empfindungen, die nicht eindeutig (nur) dem Geruchs- oder Geschmackssinn zugeordnet werden kænnen, wie ¹scharfª (wie Peperoni), ¹brennendª (wie Chlorgas) oder ¹Eukalyptusª, wird (auch) von sensorischen Nervenfasern des Nervus trigeminus und anderer Hirnnerven vermittelt, die Nasen- und Mundschleimhaut innervieren. Erstaunlicherweise findet man bei Insekten in den verschiedenen chemorezeptiven Sensillen der Fçhler, der Mundregion und der Tarsen molekulare Rezeptoren, die denen der Wirbeltiere homolog sind. Chemische Sinne sind die evolutionår åltesten Sinne und auf molekularem Niveau ist vieles konserviert geblieben.

21 Wahrnehmung elektrischer und magnetischer Felder ± Infrarotortung

Sinnesleistungen, die çber unser eigenes Vermægen hinausgehen, faszinieren uns und stimulieren die Frage, ob uns vielleicht unbewusst ebenfalls ein entsprechender Sinn zur Verfçgung steht. Der verbreitete, vom Wunschdenken getragene Glaube an verborgene Quellen der Erfahrung hat es andererseits dem Tierphysiologen nicht immer leicht gemacht, seine durchaus erstaunlichen Befunde gegen Legenden und Aberglaube abzugrenzen. Gesichert ist, dass es mehrere Tierarten gibt, die elektrische Felder erspçren kænnen. Andere nutzen das Magnetfeld der Erde zur Navigation. Manche kænnen in der Nacht ihre Opfer orten, weil sie die von Warmblçtern ausgehende Wårmestrahlung detektieren kænnen.

21.1 Elektrorezeption 21.1.1 Passive elektrische Ortung: im Wasser kænnen EKG und EMG die Nåhe eines tierischen Lebewesens verraten Wir hatten beim Herzen (s. Kap. 16) die Frage erærtert, wie das Elektrokardiogramm, das EKG, an der Auûenflåche des Kærpers abgreifbar werden kann, obwohl die elektrischen Aktivitåten, die dem EKG zugrunde liegen, im Kærperinneren im Herzmuskel ablaufen. Wir erfuhren, dass sich elektrische Spannungen bzw. Spannungsånderungen in Form von Feldern im leitenden Medium ausbreiten, sodass das EKG auch aus dem Badewasser ohne Berçhrung des Kærpers abgeleitet werden kænnte. Nicht nur der Herzschrittmacher und der Herzmuskel, jeder tåtige Muskel, so auch die

Atemmuskulatur, sendet Felder aus, wenn auch recht schwache. Elektromyogramm EMG heiût eine Aufzeichnung solcher myogener Felder. Da man weder Herz noch die Atmung stilllegen kann, ist es schwer, sich verborgen zu halten, wenn der Angreifer mit sensitiven Voltmessern ausgestattet ist. Haie haben im Bereich ihrer Schnauze solche Voltmesser. Grundhaie, wie der Katzenhai und der Hundshai unserer Nordsee, erspçren eine Scholle oder Seezunge, auch wenn sie sich im Sand verborgen hålt (Abb. 21.1). Der Hai entdeckt die Scholle auf ca. 15 cm Entfernung; diese sendet Strom von ca. 4 lA aus. Månnliche Rochen finden ihre weiblichen Artgenossen, indem sie deren Biopotentiale orten. Passive Elektroortung kennt man von: l

Knorpelfischen: Haien und Rochen,

l

Aalen, Welsen,

l

Lungenfischen,

Abb. 21.1. Passive Elektroortung beim Hai. Ein Grundhai spçrt eine versteckte Scholle auf, indem er deren EKG wahrnimmt

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21 Wahrnehmung elektrischer und magnetischer Felder ± Infrarotortung

Abb. 21.2. Passive Elektroortung beim Schnabeltier, eine versteckte Batterie aufspçrend l

dem australischen Schnabeltier (Abb. 21.2), einem eierlegenden Såuger, das mit seinem Schnabel Sçûwassergarnelen und sonstiges Getier aufstæbert.

Die Voltmesser der Haie sind die in die Unterhaut eingebetteten, schlauchfærmigen Ampullenorgane (Lorenzini'sche Ampullen). Sie leiten sich von den Seitenlinien ab. Ihre Sinneszellen sehen nicht anders aus als die Haarsinneszellen in den Neuromasten der Seitenlinien (s. Abb. 18.14): sie haben Stereovilli und ein Kinocilium, nur fehlt eine Cupula. Diese Sinneszellen befinden sich am Ende der Schlåuche, deren Wand gegen die Haut elektrisch isoliert, deren Lumen jedoch mit einer elektrisch leitenden und mit K+ angereicherten Gallerte gefçllt ist. 21.1.2 Aktive Elektroortung: man findet sich im Trçben zurecht und funkt elektrische Grçûe Wir sprechen jetzt nicht von den stark elektrischen Fischen wie Zitteraal und Zitterrochen, die mit ihren starken Schlågen von bis zu 900 Volt (Aal) oder 70 Ampere (Rochen) ihre Opfer låhmen (Elektrofischen) oder Angreifer vertreiben (Kap. 16.6). Wir reden von kleinen harmlosen Fischen tropischer Flçsse und Seen. In sieben, evolutionsgeschichtlich nicht nåher verwandten Fischfamilien wird aktiv Elektroortung betrieben,

mit Spannungen im Bereich von ca. 1 Volt. Solche Fische leben durchweg in trçben Sçûgewåssern, haben eine spindelfærmige Gestalt und einen Sender, der sich von Muskelzellen ableitet (s. Abb. 16.20). Bekannte, gut in Aquarien zu haltende Formen sind der afrikanische Nilhecht (Gnathonemus petersii, ein Mormyride, kein Hecht!) und der sçdamerikanische Messerfisch (Eigenmannia, ein Gymnotide). Wenn man die Entladungen der Schwachelektriker registriert, erkennt man zwei Typen: die ¹Summerª und die ¹Knattererª. Summer senden Sinusschwingungen aus mit einer artspezifischen, unerhært konstanten Frequenz im Bereich zwischen 50 und 2000 Hz ± wåren es Laute, kænnte man solche Fische ¹Tieftænerª oder ¹Mitteltænerª nennen. Zu den Summerern zåhlt der Messerfisch. Seine Sendefrequenz ist so stabil, dass man schwæren mæchte, der Sender sei ein technisches Geråt. Knatterer senden hingegen kurze Pulsgruppen aus. Zu ihnen zåhlt der in Flçssen Afrikas beheimatete Nilhecht (Abb. 21.3). Wozu dienen diese Signale? l

Der sozialen Kommunikation. Was dem Vogel sein Gezwitscher, ist dem Fisch sein Elektrofunk. Messerfische zirpen sich beim nåchtlichen Ablaichen an, um sich in Stimmung zu bringen und den Laichakt zu synchronisieren.

l

Der Orientierung im trçben Wasser. Eine Momentaufnahme des Nilhechts (Abb. 21.3) zeigt Feldlinien, die vom elektrischen Organ ausstrahlen. Senkrecht zu den Feldlinien verlaufen die Isopotentiallinien bzw. Isopotentialflåchen (nåher erklårt fçrs EKG in Kap. 16). Objekte in der Umgebung, die andere Leitfåhigkeit (anderen elektrischen Widerstand) als das Wasser haben, verzerren das Feld. Ein Objekt, das eine hæhere Leitfåhigkeit als Wasser hat, zieht Feldlinien wie eine Sammellinse an; ein Gegenstand mit geringerer Leitfåhigkeit drångt Feldlinien wie eine Streulinse auseinander.

Die Verzerrungen der selbsterzeugten Felder durch Objekte der Umgebung wirken auf den Fisch zurçck. Das Muster elektrischer Spannun-

21.1 Elektrorezeption Abb. 21.3. Aktive Elektroortung beim Nilhecht (Gnathonemus petersii). Schwarze Linien: Elektrische Feldlinien in einem bestimmten Moment der Entladung des elektrischen Organs. Rote Linien: Isopotential-(Øquipotential-)linien zum selben Zeitpunkt. Heller Ball: Objekt mit hæherer Leitfåhigkeit als Wasser. Dunkler Ball: Objekt mit geringerer Leitfåhigkeit als Wasser

gen auf der Haut veråndert sich, wenn in der Reichweite seines Senders ein Gegenstand auftaucht. Hunderte in die Haut eingebettete und çber Kopf und Rumpf verstreute kleine Voltmeter (ampullåre Elektrorezeptoren, Abb. 21.4) registrieren diese Verzerrungen.

Der Fachmann unterscheidet: l Ampullenorgane, die in der Haut aller elektrosensiti-

ven Fische vorkommen und den Grundtyp der Sensoren fçr Elektrolokation repråsentieren; l Tubulusorgane der Gymnotiden, deren Lumen keine offene Verbindung zum Meerwasser hat und deren Deckel als Kondensator wirkt. Die Tubulusorgane sind speziell auf die hochfrequenten Wechselfelder abgestimmt, welche diese Fische kontinuierlich aussenden. l Knollenorgane und Mormyromasten der Mormyriden, beides besonders ausgebaute Ampullenorgane. (Weiteres hierzu s. Neuweiler, Vergleichende Tierphysiologie, Springer 2003).

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21 Wahrnehmung elektrischer und magnetischer Felder ± Infrarotortung

21.2 Orientierung im Magnetfeld der Erde Das Magnetfeld der Erde kann in mehrerlei Weisen Einfluss auf Lebewesen nehmen und ihnen Mæglichkeiten der Orientierung geben, beispielsweise: (a) kraft seiner Fåhigkeit, paramagnetische Materialien auszurichten (das kennen wir vom Kompass), (b) kraft seiner Fåhigkeit, elektrische Stræme zu induzieren. 21.2.1 Meeresstræmungen und schnelle Schwimmer erzeugen im Magnetfeld der Erde elektrische Spannungen, die mit hauteigenen Voltmetern abgreifbar sind

Abb. 21.4. Elektrorezeptoren (Ampullenorgan) in der Haut eines Nilhechtes. Die eingekreisten Plus- und Minuszeichen sollen andeuten, dass die Elektrosensoren einem Wechselspannungsfeld ausgesetzt sind (nach Horn)

Die Fåhigkeit des Nilhechts und der Gymnotiden, sogar zwischen ohmschem und kapazitivem Widerstand zu diskriminieren, hilft ihm, lebende von unbelebten Objekten zu unterscheiden (kapazitive Widerstånde, wie sie Lebewesen darstellen, erzeugen Phasenverschiebungen in den elektrischen Schwingungen). Man braucht aber nicht auf alle Fålle ein eigenes elektrisches Organ, um seine Haut mit Spannungsmustern zu kitzeln. Wer rasch das Magnetfeld der Erde durchquert, kann Spannungsmuster auf seiner Haut erzeugen, die mit sehr empfindlichen Voltmetern messbar sind. Dazu mehr im folgenden Abschnitt.

Meerwasser ist elektrisch leitend, sehr gut sogar. Zieht man einen elektrischen Leiter rasch durch ein Magnetfeld, werden in ihm elektrische Spannungen und damit auch elektrische Stræme induziert. In Meeresstræmungen, welche in Ost-Westbzw. West-Ost-Richtung verlaufen und die magnetischen Feldlinien der Erde queren, treten Spannungen im Bereich von lV/cm auf, und das liegt im Messbereich der Elektrosensoren der Fische. Theoretisch kænnen sie es erkennen, wenn eine Meeresstræmung in Ost-West-Richtung verlåuft. Nicht nur Meerwasser, auch Lebewesen sind elektrische Leiter. Wer schon mal einen Stromschlag erhalten hat, hat dies schmerzlich erfahren. Bei schnellen Schwimmern kann auf der Haut ein Spannungsfeld entstehen, das mit der Schwimmrichtung ± långs oder quer zu den Magnetfeldlinien ± korreliert ist (Abb. 21.5). So klein Spannungen und Stromflçsse auch sind, die enorme Empfindlichkeit der biologischen Voltmesser kænnte fçr ihre Registrierung gençgen. Wir wissen nicht, welche Tiere diese Chancen der Orientierung tatsåchlich nutzen. Im Experiment ist eine Reaktion der Elektrorezeptoren von Haien und Rochen auf Magnetfelder gemessen worden. Tiere des Sçûwassers und der Luft kænnen wahrscheinlich das skizzierte Induktionsprinzip

21.2 Orientierung im Magnetfeld der Erde

orientierung bei Tieren waren fçr kritische Kæpfe nicht von vornherein glaubwçrdig. Neugier blieb jedoch. Erschwerend fçr neugierige, unentwegte Forschung aber war, und ist immer noch, dass sich das Erdmagnetfeld nur mit hohem technischen Aufwand ausschalten und manipulieren låsst. Eine Ausrichtung oder sonstige Reaktion auf das Magnetfeld der Erde ist nachgewiesen oder vermutet (z. B. aufgrund des Nachweises von Magnetit) fçr l

Bakterien, Algen

l

marine Mollusken, Hummer

l

Insekten: Bienen, Hornissen, Termiten, Drosophila

l

Lachse, Thunfische, Japanischer Aal

Abb. 21.5. Indirekte Perzeption des Erdmagnetfeldes durch einen schnellen Schwimmer, der die Magnetfeldlinien quert und deswegen entlang seinem Kærper durch Induktion ein elektrisches Potentialgefålle (Spannung) erzeugt

l

Salamander, Molche

l

Meeresschildkræten

l

Vægel, insbesondere Brieftauben und viele Arten von Zugvægeln

nicht nutzen; denn die schwach leitende oder isolierende Umgebung erlaubt es nicht, den Stromkreis zu schlieûen und den vom Tier ausgehenden elektrischen Strom zum Tier zurçckzufçhren.

l

Delphine, Wale.

21.2.2 Magnetfeldorientierung: Bienen haben, so wird angenommen, einen Magnetitkompass, Vægel sollen das Erdmagnetfeld sehen Ûber Jahrhunderte wussten es Seefahrer, Expeditionsleiter und Wanderer zu schåtzen, mit dem Magnetkompass ein Geråt in der Hand zu haben, das ihnen auch bei bewælktem Himmel und unter fremdem Sternenzelt die Himmelsrichtung weisen konnte. Sollten Fernreisende unter den Tieren sich nicht auch einen Magnetkompass zugelegt haben? Allerdings: die Evolution braucht zum Erfinden und Optimieren eines solchen Geråtes çblicherweise viel Zeit; das Erdmagnetfeld ist aber in geologischen Zeitråumen gesehen instabil und unzuverlåssig. Hypothesen çber Magnetfeld-

Bienen: Bienen greifen, wie auch Vægel, mutmaûlich auf ihren Magnetkompass zurçck, wenn ein bedeckter Himmel eine Orientierung nach dem Sonnenstand erschwert oder unmæglich macht. Dass Bienen çberhaupt das Magnetfeld registrieren kænnen, war eine unerwartete Entdeckung. Sie basierte, wie oft in der biologischen Forschung, auf einer Mischung von Zufall, Messgenauigkeit, Aufmerksamkeit und vielem Nachdenken. Bei åuûerst genauen Vermessungen der Bienentånze waren kleine Fehler (Missweisungen) aufgefallen; die Fehlerrate lieû sich mit einem mæglichen Einfluss des Erdmagnetfeldes korrelieren.

Bei der Honigbiene ist das anatomische Geråt, das als Kompass dient, mutmaûlich entdeckt. Bienen haben in ihren Abdominalsegmenten so genannte Trophocyten, die Kristalle von Magnetit, einem super-paramagnetischen Eisenoxid der Formel Fe3O4, enthalten. Solche Kristalle dehnen sich aus oder schrumpfen, je nach ihrer Orientierung im Magnetfeld. Trophocyten sind zu Gruppen zu-

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21 Wahrnehmung elektrischer und magnetischer Felder ± Infrarotortung

sammengeballt. Dendritische Fasern sensorischer Neurone umspinnen die Trophocyten. Die Signalkette von der Kristallbewegung bis zur Auslæsung nervaler Impulse ist noch nicht aufgeklårt. Kçnftige Forschung sollte aber auch auf die Augen der Bienen schauen. Bei der Taufliege Drosophila ist es laut neueren experimentellen Befunden das Auge, welches das Magnetfeld der Erde wahrnimmt, wie dies neuerdings auch fçr Vægel angenommen wird. Meeresschildkræten durchreisen die Ozeane çber Tausende von Kilometern, um schlieûlich nach Jahren wieder an jenen Strand zurçckzukehren, an dem sie einst das Licht der Welt erblickt hatten. An den Kçsten Floridas geborene Schildkræten lassen sich vom Golfstrom bis vor die Kçsten Portugals treiben. Sie mçssen jedoch nach dem Schlçpfen erst einmal ihr Transportvehikel erreichen. Junge Meeresschildkræten wurden in einen Tank gesetzt, der mit einer groûen Elektromagnetspule umhçllt war. Computer berechneten die Steuerung von Leistung und Orientierung des Magnetfeldes. Wurde das Feld auch nur um 10% auf einen Betrag erhæht, wie er vor Portugal gemessen wird, schwammen die jungen Schildkræten bevorzugt nach Osten, wo sie im freien Wasser den Golfstrom erreicht håtten. Erniedrigung der Feldstårke um 8% lieû sie bevorzugt nach Westen schwimmen. Meeresschildkræten kænnen, so schloss man, Positionsinformation aus der lokalen Stårke des Magnetfeldes gewinnen. Das zuståndige Sinnesorgan ist unbekannt. Vægel nutzen, so wird angenommen, das Erdmagnetfeld zur Fernorientierung, sofern ihnen wohlbekannte Landmarken, die Sonne und oder der Sternenhimmel nicht bessere Orientierungshilfen geben. Insbesondere fçr Zugvægel, die es vorziehen, in der kçhlen Nacht oder bei bedecktem Himmel heiûe Gebiete zu çberfliegen, sollten einen Magnetkompass zu schåtzen wissen. Experimente mit Vægeln sind schwierig anzustellen. Zugvægel waren in Kåfigen eingesperrt, und diese standen in einem Innenraum, der ihnen die Sicht zur Sonne verwehrte. Sie sollten zur Zeit der Zugunruhe bevorzugt in eine Himmelsrichtung flattern, ohne jedoch frei abheben zu dçrfen

Abb. 21.6. Inklinationen der magnetischen Feldlinien auf der Erdoberflåche

oder gar erst einmal ihre çblichen Orientierungsrunden drehen zu kænnen. Experimente, in denen fliegenden Brieftauben Magnete angebunden wurden, krankten oft daran, dass Kontrollen mit gegensinnig gepolten Magneten und nichtmagnetischen Eisenlasten gleicher Form, Græûe und Schwere nicht, oder nicht sorgfåltig genug, ausgefçhrt worden waren. Auch dçrfte es mit dem Wohlbefinden solch unnatçrlich beschwerter Tauben nicht gut bestellt gewesen sein.

Heute gibt es Mæglichkeiten, mittels groûer Helmholtzspulen das Magnetfeld um einen Vogel im Versuchskåfig gezielt zu veråndern. Freilich muss der Vogel noch immer durch Hçpfen seine gewçnschte Flugrichtung anzeigen (s. Abb. 25.6), frei fliegen kann er nicht. Immerhin haben sich mittlerweile so viele experimentelle Daten angehåuft, dass einige Arbeitshypothesen formuliert werden konnten: l

Der Kompass der Vægel ist ein Inklinationskompass. Er zeigt nicht die Nordrichtung an wie unser Taschenkompass, sondern den Einfallswinkel, unter dem die Magnetfeldlinien auf die Erde auftreffen oder aus der Erde austreten (Abb. 21.6). Die magnetische Inklination hat einen charakteristischen Winkel an jedem Breitengrad und gibt damit eindeutige Information sowohl çber die Nord-Sçd-Achse als auch darçber, wie weit nærdlich oder sçdlich des Øquators man sich befindet.

21.3 Infrarotortung l

Nach neuen Berichten sind Vægel in der Lage, mit ihren Augen das Erdmagnetfeld zu ¹sehenª. Diese Wahrnehmung ist jedoch nicht an die Photorezeptoren der Netzhaut gekoppelt. Es wird vermutet, dass manche retinalen Neurone (es handelt sich um eine kleine Gruppe von Ganglienzellen) ein Photopigment enthalten, dessen Photochemie durch das Erdmagnetfeld beeinflusst wird. Je nach Ausrichtung des Auges im Magnetfeld vermitteln diese Zellen einen visuellen Eindruck, nach dem der Vogel sich orientieren kann.

l

Magnetitkristalle, die in der Haut des Oberschnabels und nahe dem Siebbein (Ethmoid) gefunden werden, sind jedoch nicht auûer Acht zu lassen, wenn es um die Leistung des magnetischen Sinnes geht. Auch andere Kærperregionen und Organe (Gehirn, Innenohr) sind als Sitz des Magnetkompasses in Erwågung gezogen worden. Eine definitive Antwort nach dem Installationsort des Kompasses kann gegenwårtig noch nicht gegeben werden.

Das Råtsel um die ± eindeutig nachgewiesene ± Magnetorientierung der Tiere ist eines der spannendsten und schwierigsten Forschungsgebiete in der Sinnesphysiologie.

21.3 Infrarotortung 21.3.1 Infrarotortung heiût Lokalisierung der Quellen von Wårmestrahlung oder Mikrowellen Infrarotstrahlung ist Teil des Spektrums elektromagnetischer Strahlung, wie es auch sichtbares Licht ist (s. Abb. 22.1). Dennoch gibt es gute Grçnde, Infrarotwahrnehmung getrennt vom optischen Sinn zu behandeln. Infrarot wirkt anders auf absorbierende Materialien als sichtbares Licht und wird nicht mit dem Auge, sondern mit spezialisierten Temperaturrezeptoren wahrgenommen. Infrarotlicht wird von tanzenden Molekçlen emittiert und bringt umgekehrt in der Materie, die Infrarot absorbiert, bewegliche Molekçle,

wie z. B. Wassermolekçle, zum Tanzen (Rotationsbewegungen, Pendelbewegungen etc.). Der langwelliges Infrarot ausstrahlende Mikrowellenherd erhitzt sehr gut wasserhaltige Speisen, jedoch nur schlecht trockene. Auch in unserer Haut erzeugen Infrarotstrahlen molekulare Vibrationen. Diese wiederum erregen unsere Temperaturrezeptoren und es entsteht in unserer Erlebniswelt die Empfindung Wårme. Daher spricht man auch von Wårmestrahlung. Warmblçter senden çberwiegend relativ kurzwelliges Infrarot aus (Wellenlånge 1,5 lm bis 1 mm), der Mikrowellenherd långere infrarote elektromagnetische Schwingungen (in der Regel 12 cm). Das Aussenden von Infrarot verråt ein warmblçtiges Beutetier auch in der Nacht. Die Fåhigkeit, einen Infrarotstrahler zu orten, ist nachgewiesen fçr l

Klapperschlangen und andere Grubenottern,

l

Riesenschlangen (Boa, Python, Anakonda),

l

Vampirfledermaus.

Das Grubenorgan der Klapperschlange ist eine Grube zwischen Nase und Auge. Beide Gruben blicken als ¹Infrarotaugeª nach vorne (Abb. 21.7 u. 21.8). Der verengte Eingang zur Grube macht aus ihr eine Art Lochkamera, zwar kaum geeignet wie eine technische Infrarotkamera ein gut aufgelæstes Thermobild zu entwerfen, aber geeignet, die Quelle der Infrarotstrahlung ± im typischen Fall ein Kleinsåuger ± zu orten. Als ¹Filmª oder Sensor ist in der Grube eine dçnne Membran aufgespannt. Hinter der Membran befindet sich wie-

Abb. 21.7. Infrarotrezeptoren einer Klapperschlange

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21 Wahrnehmung elektrischer und magnetischer Felder ± Infrarotortung Abb. 21.8. Infrarotortung. Eine Klapperschlange erspçrt einen Warmblçter

Wie die Sensoren Wårmestrahlung in Erregung umsetzen, weiû man ebensowenig wie man es von den Temperaturrezeptoren unserer Haut weiû. Riesenschlangen haben Infrarotrezeptoren im Bereich ihrer Lippen, Vampirfledermåuse auf ihrem Nasenaufsatz. Der Vampir (Abb. 21.9) findet in finsterer Nacht mit seinen Infrarot-¹Nasenaugenª die gut durchbluteten Stellen auf seinem Opfer, wo er seinen Biss ansetzen kann. Abb. 21.9. Infrarotsensoren einer Vampirfledermaus (rot gekennzeichnete Flecken auf dem Nasenaufsatz)

der ein Hohlraum. Dessen Funktion kænnte es sein, die Membran thermisch vom Kærper zu isolieren. Die Membran ist dicht durchzogen von den Dendriten sensorischer Neurone. Offensichtlich reagieren sie extrem empfindlich auf Temperaturånderungen. Nach Berechnungen reagieren sie schon auf eine Temperaturerhæhung von 3/1000 8C bei einer Einwirkzeit von nur 6/100 s. Am effektivsten ist Infrarot mit Wellenlången um 5 lm; doch spricht das Organ auch auf Mikrowellen an. Eine Klapperschlange kænnte die Dichtigkeit eines Mikrowellenherdes çberwachen.

21.3.2 Ein Kåfer, der Waldbrånde aufspçrt und aufsucht Ein weiteres zoologisches Highlight: Bestimmte Prachtkåfer der Gattung Melanophila, von denen es besonders viele in Australien gibt, spçren mit Infrarotsensoren an der Basis ihres mittleren Beinpaares Waldbrånde im Umkreis von bis zu 50 km auf. Nicht um vor ihnen zu fliehen, sondern um sie aufzusuchen. Seine Engerlinge lieben angebranntes Holz und so legt er seine Eier eben an die Lieblingsplåtze seiner Nachkommenschaft. Die Infrarotrezeptoren sind ausgeklçgelte zu ¹Grubenorganenª umgebaute, campaniforme Sensillen, welche minimale Infrarot-induzierte Dehnungen der Cuticula registrieren.

21.3 Infrarotortung

Zusammenfassung des Kapitels 21 Elektrorezeption, die Fåhigkeit elektrische Wechselfelder wahrzunehmen, findet sich bei Wassertieren (Knorpelfische, Knochenfische, Schnabeltier); denn nur in leitendem Wasser breiten sich solche Felder aus. Quelle solcher Felder kænnen andere Lebewesen sein, z. B. im Sand vergrabene Schollen, die sich Haien und Rochen durch ihr EKG verraten (passive Elektroortung). Bei der aktiven Elektroortung, die von verschiedenen ¹schwachelektrischenª Sçûwasserfischen (z. B. Mormyriden = ¹Nilhechteª, Gymnotiden = Messerfische) betrieben wird, helfen selbst erzeugte Wechselfelder dem Fisch, sich in trçben Gewåssern zu orientieren. Die Felder wirken auf den Fisch zurçck und werden von çber der Haut verstreuten Miniaturvoltmetern wahrgenommen. Nahe Gegenstånde verzerren die Felder nach Maûgabe ihrer Leitfåhigkeit und Kapazitåt. Selbsterzeugte Wechselfelder dienen auch der sozialen Kommunikation. Die hochempfindlichen Voltmeter ± Lorenzinische Ampullen im Kopfbereich der Haie, kleine Ampullenorgane diverser Art der

Schwachelektriker ± leiten sich von den Seitenlinienorganen ab. Einen Magnetkompass zur Orientierung im Magnetfeld der Erde ist nachgewiesen fçr Bienen, Meeresschildkræten, Brieftauben und verschiedene Zugvægel. Wåhrend bei Bienen Magnetitkristalle im Abdomen als Detektoren gelten, ist der Magnetkompass der Vægel noch nicht definitiv identifiziert. Nach neuen Hypothesen sollen Vægel das Magnetfeld mit ihrem linken Auge sehen, auch im Dunkeln. Lebewesen senden elektromagnetische Wellen aus, warmblçtige Tiere im Infrarotbereich und verraten dadurch ihre Anwesenheit auch in der Nacht. Diese ¹Wårmestrahlungª wird von manchen Schlangen (Klapperschlangen und anderen Grubenottern: Boa, Python, Anakonda) mittels membranbespannter Grubenorgane hinter den Nasengruben wahrgenommen, von Vampirfledermåusen mit Infrarotsensoren auf der Nase. Grubenorgane der Schlangen kænnen Temperaturdifferenzen um 3/10008C registrieren. Eine Prachtkåferart spçrt mit Infrarotsensoren Waldbrånde auf, um am angebrannten Holz seine Eier abzulegen.

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22 Der Sehsinn

Man mag darçber diskutieren, welcher unserer Sinne fçr uns Menschen der bedeutendste ist. Manche plådieren fçr das Gehær, weil es fçr die frçhkindliche Entwicklung der Fåhigkeit zur sozialen Kommunikation so wichtig ist. Unzweifelhaft ist jedoch, dass es der Sehsinn ist, der uns die detailreichsten Informationen çber unsere Umwelt vermittelt. Er hat die hæchste råumliche Auflæsung, erzeugt unendlich viele Formen und Farben, reicht bis in Lichtjahre entfernte Galaxien und erschafft sogar eine unerschæpfliche Vielfalt von Bildern, die nicht direkt çbers Auge vermittelt werden, sondern nur in der Fantasie und im Traum erscheinen.

Die besondere Bedeutung des Gesichtssinnes oder optischen Sinnes hat schon frçh das Interesse am Sehvorgang geweckt und die Optik als Zweig der Physik entstehen lassen. Physiker wie Newton, Young, Dalton, Maxwell, von Helmholtz und Mach haben Theorien des Farbensehens entwickelt, die in ihrem Kern Gçltigkeit behielten, auch wenn wir mehr und mehr erkennen, dass die gesehene Welt ein Eigenkonstrukt unseres Geistes ist, zu dem Physik und Physiologie nur Ausgangsdaten beisteuern.

BOX K 22.1

Zur Physik des Lichtes Licht ist Teil des umfangreichen Spektrums elektromagnetischer Wellen. Der in der Technik und naturwissenschaftlichen Forschung genutzte Bereich reicht von den kurzwelligen, hochfrequenten Gammastrahlen, die von radioaktiven Substanzen ausgehen, bis zu den langwelligen, niederfrequenten Radiowellen, die nicht nur von den Sendemasten des Rundfunks, sondern in græûerer Bandbreite von Sternensystemen ausgestrahlt werden. Das gesamte Spektrum elektromagnetischer Schwingungen erstreckt sich, wenn man die Wellenlången k oder die zugehærigen Frequenzen (1/k) misst, çber mehr als 16 Græûenordnungen (Abb. 22.1). Es ist hæchst bemerkenswert, dass im Bereich des Lebens ein sehr schmaler Ausschnitt des Spektrums von einer halben Græûenordnung eine çberragende Bedeutung hat. Ob es um die

Photosynthese geht oder um den Sehvorgang, es ist das gleiche schmale Band, das von Bedeutung ist. Beim menschlichen Auge liegt das Spektrum zwischen 400 und 750 nm Wellenlånge: es ist das sichtbare Licht. Warum ist es gerade dieses Band, das so bedeutungsvoll ist? Licht im Wellenlångenbereich zwischen 300 und 800 nm ist geeignet, bestimmte Molekçle in einen angeregten Zustand zu versetzen, wobei das Licht von diesen Molekçlen (ganz oder teilweise) absorbiert wird. Bei einer Anregung springt die Energie des Lichtes auf das absorbierende Molekçl (Farbpigment) çber, ohne dass das Molekçl zerstært wçrde (was oft bei kurzwelligen UV- und Gammastrahlen passiert) und ohne dass das Molekçl allzu sehr in chaotische thermische Tanzbewegungen versetzt wçrde (was bei Infrarot- und Mikrowellen passieren kann). Die Anregungsenergie wird von "

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22 Der Sehsinn

BOX K 22.1 (Fortsetzung)

einem Teil des Molekçls, das zu Resonanzschwingungen fåhig ist, aufgefangen und abgepuffert. Ein organisches Molekçl, das sich in den angeregten Zustand versetzen låsst, ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein mesomeres System von p-Elektronen besitzt, die hin und her schwingen kænnen. Man sieht dies der Molekçlstruktur an: sie enthålt mehrere konjugierte Doppelbindungen (Einfach-Doppel-EinfachDoppel-Bindung etc.). Das Retinal des Sehfarbstoffes Rhodopsin (Abb. 22.2) ist ein solches Molekçl. Die Energie eines einzelnen Photons (Lichtquants) ist am violetten Ende des Spektrums græûer als am roten Ende. Die Energie von 1 ¹Molª (6 ´ 1023) Lichtquanten (1 Einstein) betrågt 300 bis 170 kJ (zum Vergleich: 1 Mol ATP = 30 kJ). Korrelat zur Farbe und Helligkeit und der Welle-Lichtquant-Dualismus. In Analogie zu den Verhåltnissen bei Schallwellen erwarten wir, dass die gesehene Farbe mit der Frequenz des Lichtes, die gesehene Helligkeit mit der Schwingungsamplitude korreliert sei. Hinsichtlich der Farbe trifft unsere Erwartung zu (s. Box K 22.2). Hinsichtlich der Helligkeit jedoch muss sich der Physiologe einer anderen Konvention und Sprachregelung anschlieûen. Der Dualismus Welle versus Quant ist in der Literatur des Physiologen nur dann von Bedeutung, wenn es um eine geeignete Definition der Lichtintensitåt geht. Licht, das anregen soll, muss eine gewisse Mindestenergie mitbringen. Der çber die Schwellenenergie hinausgehende Energiebetrag ist nicht von Belang. Dass Violett-

licht mehr Energie mitbringt als Rotlicht, muss bei der Absorption durch konjugierte Systeme wie Chlorophyll oder Rhodopsin nicht berçcksichtigt werden. Wohl jedoch ist die Photonenstromdichte (Quantenstromdichte) von Bedeutung. Je hæher die Zahl der pro Flåche und Zeiteinheit einfallenden Photonen ist, desto græûer ist die Wahrscheinlichkeit, dass in einem Kollektiv von Chlorophyll- oder Rhodopsin-Molekçlen Photone absorbiert werden. Als Korrelat der Lichtintensitåt bzw. der gesehenen Helligkeit wird also die Photonenstromdichte gemessen oder errechnet. Terminologie. Wie beim Gehær wird in der Sprache des Alltags oft nicht sauber zwischen der Welt der Physik und der subjektiven Innenwelt des Sehens unterschieden. Man spricht von Rotlicht und meint elektromagnetische Schwingungen mit geringer Frequenz bzw. langer Wellenlånge. Man spricht von Schwarz und meint das Fehlen von Photonen. Man spricht von Helligkeit und meint Lichtintensitåt, definiert als Photonenstromdichte. Im Allgemeinen bereitet diese terminologische Vermischung keine besonderen Verståndigungsprobleme, und so wollen auch wir keine Beckmesserei betreiben. Optik. Wie Lichtintensitåten im Einzelnen definiert und gemessen werden kænnen (Strahlungsfluss, Strahldichte, Bestrahlungsstårke, Lichtmenge, Lichtstrom, Lichtstårke, Beleuchtungsstårke etc.), darçber muss das Lehrbuch der Physik informieren, und ebenso çber die Gesetze des Strahlengangs, der Reflexion und der Beugung. Zur Psychophysik der Farben siehe Box K 22.2.

22.1 Der Primårvorgang: vom Licht bis zum Rezeptorpotential

Abb. 22.1. Spektrum elektromagnetischer Wellen

22.1 Der Primårvorgang: vom Licht bis zum Rezeptorpotential 22.1.1 Das lichtabsorbierende System ist in allen sehenden tierischen Lebewesen Rhodopsin ± mit geringen Varianten Auch wenn eine solche Aussage gegenwårtig noch kçhn ist und im Einzelfall noch belegt werden muss, so sprechen zunehmend mehr molekularbiologische Befunde fçr die Hypothese, dass vom Einzeller bis zum Menschen nahezu alle tierischen Organismen dasselbe System molekularer Antennen zum Einfangen von Licht und zum Starten der Folgereaktionen (Erregung) benutzen. Die einzigen bisher bekannten Ausnahmen sind einige Tiefseefische, deren Photopigmente dem Chlorophyll åhnlich sind. Abb. 22.2. Retinal

Rhodopsin. Der molekulare Komplex, der Licht absorbiert und die Kaskade der Folgeprozesse starten låsst, ist das Rhodopsin oder ein homologer Komplex. Er besteht aus dem l

Retinal, dem Aldehyd des Vitamins A1 (ein Terpenoid). Retinal ist die chromophore Gruppe des Rhodopsins und fçr das Einfangen der Lichtquanten zuståndig. Es enthålt das hierfçr erforderliche System konjugierter Doppelbindungen.

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22 Der Sehsinn l

Opsin, einem Membranprotein mit sieben Transmembrandomånen (wie die Duftrezeptoren!). Das in Membranen eingebundene Opsin hat die Funktion eines Schalters; es aktiviert die Folgereaktionen.

Von Opsin gibt es eine Reihe molekularer Varianten, die jedoch alle zur gleichen Proteinfamilie gehæren und von homologen Genen codiert werden. Diese Varianten sind fçr das Farbensehen von Bedeutung; denn sie nehmen Einfluss darauf, ob das Retinal bevorzugt Photone kurzer, mittlerer oder langer Wellenlånge einfangen kann. Von Retinal gibt es offenbar nur wenige Varianten: Bei Sçûwasserfischen und Amphibien findet man 3-Dehydro-Retinal, bei Fliegen und Schmetterlingen 3-OH-Retinal. Unterschiede gibt es hinsichtlich der Membranareale, in denen das Rhodopsin gelagert wird. Bei den Photorezeptoren der Insekten (Retinulae) sind die Rhodopsinkomplexe in Mikrovilli eingelassen, die seitlich aus der Zelle ausgestçlpt werden und an der Långsseite der Zelle aufgereiht sind. Die Mikrovillireihe bildet in ihrer Gesamtheit das Rhabdomer. Bei Wirbeltieren hingegen werden die rhodopsinbestçckten Membranbereiche in ein aufgeblåhtes Cilium hineinverlagert. Zoologen unterscheiden zwei Haupttypen von Photosensoren: 1. Der tubulåre Typ trågt zur Erweiterung der rhodopsinhaltigen Flåche Mikrovilli. Dazu gehæren die Photorezeptoren der Plathelminthen (mit den Planarien), Anneliden, Arthropoden und Tintenfische. 2. Beim ciliåren Typ ist die gefaltete Membran eines modifizierten Ciliums mit Rhodopsin bestçckt. Hierzu zåhlen die Photorezeptoren der Coelenteraten, der Schnecken und Muscheln sowie die Photorezeptoren von Branchiostoma und der Wirbeltiere. Bei den Ståbchen und Zapfen in der Netzhaut der Wirbeltiere entspricht das Auûenglied dem Cilium.

22.1.2 In den Ståbchen und Zapfen der WirbeltierRetina sind die Sehfarbstoffe in Membranen eingelagert, die tåglich neu gebildet und ins Zellinnere eingestçlpt werden Bei den Photorezeptoren der Wirbeltiere (Ståbchen und Zapfen, Abb. 22.3) sind die Rhodopsine

in hoher Dichte in Areale der Zellmembran eingelagert, die ins Zellinnere eingefaltet und in Form von Scheiben (Discs) çbereinander gestapelt werden. Die Discs werden an der Basis des Auûengliedes eingestçlpt. Das Auûenglied ist jener Teil der Zelle, der sich evolutionsgeschichtlich von einem Cilium ableitet und sinnesphysiologisch die reizaufnehmende Inputregion repråsentiert. Eine zellbiologische Merkwçrdigkeit ist zwar fçr den Sehvorgang unerheblich, verdient aber doch Erwåhnung. Die Auûenglieder der Ståbchen und Zapfen sind keine statischen Gebilde, sondern werden laufend erneuert. An der Spitze der Auûenglieder werden in tagesperiodischen Schçben wie beim programmierten Zelltod (Apoptose) vesikulåre Teile abgeschnçrt und von den Zellen des benachbarten Pigmentepithels aufgefressen. Als Ersatz fçr die verlorenen Teile werden an der Basis der Auûenglieder ebenfalls tagesperiodisch neue Discs hergestellt und nachgeschoben. In den Ståbchen betrågt der Umsatz ca. 100 Discs pro Tag.

Ein Ståbchen enthålt (im Gleichgewichtszustand) etwa 1000 Scheiben, von denen jede ca. 50 000 Rhodopsinkomplexe enthålt. Die Einwårtsverlagerung der sensorischen Membranareale hat Konsequenzen hinsichtlich des Transduktionsprozesses: Von den Discs muss ein Signal zur Plasmamembran geschickt werden, um dort Transduktionskanåle zu steuern. Beim Zapfen sind die Discs zwar nicht gånzlich von der åuûeren Zellmembran abgelæst; dennoch ist auch bei ihnen ein besonderer Signalweg erforderlich, der von den Sehpigmenten in den Discs zu den Ionenkanålen der åuûeren Zellmembran hinfçhrt. 22.1.3 Ein molekularer Klappmechanismus leitet den Sehvorgang ein Vor dem Einfangen des Lichtquantes liegt Retinal in der abgewinkelten 11-cis-Konfiguration vor. Mit dem Einfangen eines einzigen Photons springt es in die gestreckte all-trans-Form um (Abb. 22.2 u. 22.4). Bei Insekten låsst ein zweites Lichtquant das Molekçl wieder in die gewinkelte Form zurçckspringen. Ein solcher Flick-Flack-

22.1 Der Primårvorgang: vom Licht bis zum Rezeptorpotential

Abb. 22.3 a. Photorezeptoren. Ståbchen und Zapfen aus der Netzhaut der Wirbeltiere

Mechanismus ist dem Wirbeltier zu simpel. In seinen Photorezeptoren wird das Retinal enzymatisch von der gestreckten in die gewinkelte Form zurçckgefçhrt. Dazu muss das Retinal vorçbergehend vom Opsin abgekoppelt werden. Das Umspringen des Retinals in die gestreckte Form (Isomerisierung) und sein Abkoppeln hat eine Ønderung der Absorptionseigenschaft zur Folge. Das gestreckte und abgehångte Retinal absorbiert nicht mehr im sichtbaren Wellenlångenbereich, sondern nur noch im UV. Das vieluntersuchte Rhodopsin der Ståbchen sieht nun nicht mehr rætlichblau aus (Sehpurpur), sondern ist gebleicht, d. h. farblos. Lehrbçcher der Physiologie listen in der Regel die Zwischenstufen der Rçckverwandlung zum farbigen

Abb. 22.3 b. Elektrische Stræme = Ionenstræme in einem Photorezeptor

Sehpurpur auf und belegen sie mit eigenen Namen. Zum Verståndnis des Sehvorgangs tragen diese Zwischenstufen indessen nichts bei und werden daher in diesem Buch nicht aufgefçhrt.

Wirbeltiere scheinen umståndlich vorzugehen. Die Wiederherstellung der Ausgangsform des Rhodopsins mit abgewinkeltem Retinal dauert seine Zeit, die sich çber Minuten bis zu Stunden erstrecken kann, und erfordert Energie in Form von ATP. Ein solch umståndliches Verfahren håtte sich in der Evolution wohl kaum etabliert, håtte es nicht auch Vorteile. Ein erkennbarer Vorteil besteht darin, dass çber die Rate der Resynthese

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22 Der Sehsinn Abb. 22.4. Signaltransduktion in einem Photorezeptor der Wirbeltier-Retina (Ståbchen oder Zapfen)

auch die Menge des aktivierbaren Rhodopsins gesteuert werden kann. Das ist ein wesentlicher Mechanismus der Helligkeitsadaptation. 22.1.4 Ein eingefangenes Photon gençgt; eine ungewæhnliche Signaltransduktionskaskade verstårkt das Signal Die Stapel der Scheiben in den Ståbchen und Zapfen haben den Vorteil, dass Rhodopsinkomplexe in enormer Zahl und Dichte verpackt werden kænnen. Damit wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein vorbeistreichendes Photon eingefangen werden kann, gewaltig gesteigert. Betrachten wir im Weiteren allein die Ståbchen im Auge des Såugers. Sie enthalten besonders viele Membranscheiben und sind besonders lichtempfindlich. Das Auge des Menschen enthålt (s. auch Tabelle 22.1): l

> 100 Millionen Ståbchen (und 5±6 Millionen Zapfen),

l

jedes Ståbchen enthålt 800 Scheiben

l

und insgesamt > 50 Millionen Rhodopsinkomplexe.

Diese Konstruktion hat jedoch auch einen Nachteil: Die Rhodopsinkomplexe der Ståbchen liegen im Zellinneren, getrennt von der åuûeren Zellmembran. Es ist jedoch die åuûere Zellmembran, deren elektrische Spannung zum Rezeptorpotential moduliert werden soll. Nach Berechnungen der Photonenausbeute an der unteren Sehschwelle kann bisweilen ein einziges eingefangenes Photon gençgen, um in einem Ståbchen eine messbare Modulation seines elektrischen Membranpotentials auszulæsen. Es muss also Mechanismen geben, die l

einen råumlichen Signaltransfer zwischen den Scheiben im Innenraum und der Zellmembran vermitteln und

l

das Signal verstårken.

Zum Verståndnis des folgenden Abschnittes ist es sehr hilfreich, wenn man zuvor die Kapitel 12 (Signaltransduktion) und 14 (Elektrophysiologie) gelesen hat. In den Ståbchen und Zapfen enthålt die Kaskade der Signaltransduktion gegençber

22.1 Der Primårvorgang: vom Licht bis zum Rezeptorpotential

den in Kapitel 12 erærterten Referenzfållen einige ungewæhnliche Teilschritte (Abb. 22.4): 1. Lichtaktivierung des Rhodopsins. Das OpsinProtein ist mit seinen sieben Transmembrandomånen einem molekularen Rezeptor gleichzusetzen. Das Opsin ist åuûerlich strukturverwandt mit einem Rezeptor fçr z. B. Adrenalin oder einem Duftstoff. In der gestreckten Form kann das Retinal mit einem eingefangenen Signalmolekçl (Liganden fçr den Membranrezeptor) gleichgesetzt werden. 2. Aktivierung eines G-Proteins, das im Fall der Photorezeptoren Transducin heiût. Diese Aktivierung schlieût die Bindung von GTP an das Transducin ein. Die spåtere Hydrolyse des GTP zu GDP inaktiviert das Transducin wieder. 3. Vernichtung eines Second-messengers. Das Transducin aktiviert seinerseits ein Enzym, das einen Second-messenger ± im vorliegenden Fall ± nicht erzeugt, sondern vernichtet. Das Enzym ist eine Phosphodiesterase PDE; das vernichtete Botenmolekçl ist cyclisches Guanosin-Monophosphat cGMP, das zum 5'-Guanosin-Monophosphat, 5'-GMP, hydrolysiert wird. 4. Benachrichtigung der Zellmembran. Wir sind es gewohnt, dass ein Signalmolekçl von einem Sender ausgesandt wird und zum Empfånger hingelangt, wo es seine Botschaft abliefert. Hier ist es nicht so. Die Botschaft besteht darin, dass Botenmolekçle vom Empfånger, der Zellmembran, abgezogen werden. Weil an den Disks Botenmolekçle vernichtet werden, wirken die Disks wie ein Abfluss (englisch: sink). cGMPMolekçle stræmen ihrem Diffusionsdruck folgend von einem Ort hæherer Konzentration in Richtung Abfluss nach. Dieser Herkunftsort hæherer Konzentration ist nun eben die åuûere Zellmembran, wo sich im unbelichteten Auge cGMP-Molekçle an Kanålen aufhalten, durch die Na+ in die Zelle einsickern. Verstårkungseffekt. Vermittelt durch die katalytische Wirkung des Rhodopsins und der Photodiesterase kann 1 lichtaktiviertes Rhodopsin die

Hydrolyse von bis zu einer Million cGMP bewirken. Dies entspricht einer Signalverstårkung von bis zu 1 : 106. Die Kaskade beginnt also nach dem klassischen Schema, wie wir es vom Rezeptor des Hormons Adrenalin (b-Rezeptor) und von den Rezeptoren der Riechzellen her kennen: molekularer Rezeptor (Rhodopsin), G-Protein (Transducin), Enzym (Phosphodiesterase), Second-messenger. Das Ungewæhnliche ist nicht so sehr, dass als Second-messenger nicht cAMP, sondern cGMP fungiert. Das Ungewæhnliche ist, dass es zur Vernichtung des Second-messenger's kommt. Ungewæhnlich auch die Konsequenz: Es kommt nicht zu einer Depolarisation, sondern zu einer Hyperpolarisation des Membranpotentials. 22.1.5 Die Photorezeptoren der Wirbeltiere sind ungewæhnlich; sie unterhalten im Dunkeln dauernd einen elektrischen Strom, den sie bei Belichtung abschalten Wie alle erregbaren Zellen herrscht auch çber der åuûeren Zellmembran der Ståbchen und Zapfen eine elektrische Ruhespannung, bei der das Zellinnere dem Minuspol eines Akkus, das Zellåuûere dem Pluspol entspricht. Verantwortlich fçr diese Spannung ist ein (geringfçgiger) Ûberschuss an unbeweglicher negativer Ladung im Zellinneren und eine Akkumulation von positiv geladenen Kaliumionen an der Membranauûenseite. Diese Kaliumionen waren zuvor aus dem Zellinneren kraft ihres nach auûen gerichteten Diffusionsdruckes entwichen und hatten die unbeweglichen negativen Ionen (phosphorylierte Proteine) zurçckgelassen. In dunkeladaptierten Photorezeptoren ist die Ruhemembranspannung geringer als in anderen erregbaren Zellen; sie betrågt nur ±30 mV statt der çblichen ±70 mV. Das rçhrt daher, dass die Kationen-Kanåle der åuûeren Zellmembran nicht ganz geschlossen sind. Sie werden von je drei cGMP-Molekçlen ein Stçck offen gehalten. Es dringen deswegen laufend Na+- und Ca2+-Ionen in das Auûensegment der Zelle ein und neutralisieren negative Ladung. Andererseits kann lau-

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22 Der Sehsinn

fend eine entsprechende Menge K+-Ionen aus der Zelle herausstræmen ± vor allem im Innensegment (Abb. 22.3). Der unablåssige Einstrom von Kationen (Na+, Ca2+) in die Zelle und Ausstrom von Kationen (K+) aus der Zelle ist als Dunkelstrom messbar und hålt das Membranpotential bei ±30 mV. Ionen-Transporter wie die allgegenwårtige Na+/K+-ATPase und weitere Kationen-Austauscher im Auûensegment sorgen dafçr, dass trotzdem die Diffusionsgefålle fçr Na+, K+ und Ca2+ erhalten bleiben und der Strom nicht zum Erliegen kommt. Dieser nåchtliche Ruhestrom ± Na+ rein, K+ raus ± ist ein Stand-by-Strom, der die Bereitschaft der Zelle indiziert, bei Belichtung den Stromfluss zu modulieren. Wenn nun aufgrund einer Belichtung cGMPMolekçle an den Discs vernichtet werden, verlassen die cGMP an den Natrium-Kanålen dem Massenwirkungsgesetz folgend ihren Platz. Die Kanåle schlieûen sich (Abb. 22.4). Die Zellmembranspannung steigt von ±30 mV auf ±80 mV. Man misst statt der çblichen Depolarisation (wie z. B. auch in den Photorezeptoren der Insekten) eine Hyperpolarisation. Diese Hyperpolarisation veranlasst die Ståbchen- oder Zapfenzelle, an ihren Synapsen weniger von dem Transmitter Glutamat freizugeben. Auch wenn nun weniger Transmitter ankommt, wissen die nachgeordneten Nervenzellen, dass dies als positives Signal zu interpretieren ist und reagieren darauf, indem sie ihrerseits ihr Membranpotential modulieren (On-Zellen depolarisieren, Off-Zellen hyperpolarisieren, s. Kap. 22.4.2). Die Lichtreaktion in den Photozellen muss auch wieder abgeschaltet werden. Negative Rçckkoppelungsschleifen sorgen dafçr, dass sich Transducin selbst inaktiviert. Rhodopsin wird nahe seinem C-Terminus phosphoryliert, und an die so markierte Domåne bindet ein Arrestin. Nun wird das Retinal freigesetzt, im Recyclingverfahren enzymatisch in die 11-cis-Form çberfçhrt und an neues Opsin gekoppelt.

22.2 Abbildung: Vorbedingung fçr Musterund Bewegungssehen 22.2.1 Im Tierreich gibt es zwei verschiedene Systeme der råumlichen Abbildung: Facetten- und Kameraauge Licht kommt von unterschiedlichen Quellen ins Auge, von aktiven Sendern und von bloûen Reflektoren. Das meiste und differenzierteste Licht kommt von Gegenstånden der Umwelt, die Sonnenlicht nach den Gesetzen der Optik reflektieren, aber einige Komponenten (Wellenlången) fçr sich behalten. Die Richtung der einfallenden Lichtstrahlen låsst Rçckschlçsse zu çber die Position eines reflektierenden Gegenstandes, seine Form und Græûe; die spektrale Zusammensetzung des Lichtes gibt Auskunft çber seine Farbe, das heiût çber sein Vermægen, Licht bestimmter Wellenlången zu schlucken. Zoologen unterscheiden verschiedene Stufen der Sehfåhigkeit, beginnend mit dem bei Wirbellosen verbreiteten flåchigen Hautlichtsinn (dermato-optischer Sinn), der nur die allgemeine Helligkeit und grobe Hauptrichtung des Lichteinfalls registrieren kann. Dann folgen Systeme, die pråziser die Herkunft der Lichtstrahlen orten und in groben Umrissen ein Helligkeitsmuster der Umwelt widerspiegeln kænnen. Sie leiten çber zu den Hochleistungsaugen, die zum Bildsehen befåhigen. Bildsehen (Formensehen, Mustersehen) ist nur mæglich, wenn die Lichtstrahlen, die von verschiedenen Orten der Umwelt kommen, in gesetzesmåûiger Weise auf verschiedene, råumlich getrennte Photorezeptoren fallen. Das nennt man Abbildung oder Projektion. Man braucht also ein Feld aus mehreren ± und mæglichst vielen ± Photorezeptoren, die Licht von verschiedenen Orten der Umwelt einsammeln. Die datenverarbeitenden Instanzen kænnen dann aus den Meldungen der vielen einzelnen Photorezeptoren ein Bild konstruieren, åhnlich wie im Bild des impressionistischen Pointilisten viele Pinseltupfer oder auf dem Bildschirm des Computers zahlreiche Pixel

22.2 Abbildung: Vorbedingung fçr Muster- und Bewegungssehen

das Gesamtbild zusammenstellen. Aus der Stårke, mit der jeder einzelne Photorezeptor erregt worden ist, kann die zentrale Auswertanlage im Gehirn auf die Helligkeit jedes einzelnen Bildpunktes schlieûen. Im Kameraauge tasten die Photorezeptoren das Abbild nach den ærtlichen Helligkeitswerten ab (Abb. 22.5). Selbstredend ist die råumliche Auflæsung des Auges umso besser, je kleiner die Rezeptoren sind und je dichter sie beisammen stehen. Auflæsungsbegrenzend ist der optische Abstandswinkel a, den die einzelnen Photorezeptoren zueinander haben. Die Sehschårfe ist der Kehrwert 1/a. Sie betrågt beim Menschen (in der Fovea) eine Winkelminute (1/608); dies entspricht einem mittleren Zapfenabstand von 5 lm. Mustersehen wird unmittelbar zum Bewegungssehen, wenn das System der Datenverarbeitung die zeitliche Verånderung eines Helligkeitsmusters analysiert. Die Natur hat in der Evolution zwei grundsåtzlich verschiedene technische Geråtschaften entwickelt, die sich eignen, die råumliche Herkunft des Lichtes zu orten (Abb. 22.5): 1. Das Facettenauge (Komplexauge): Hier blicken viele Miniåuglein (Ommatidien) getrennt in verschiedene Himmelsrichtungen. Jedes Miniauge misst wie ein Belichtungsmesser integrierend die Helligkeit eines kleinen Ausschnittes der Umwelt.

2. Das Kameraauge, bei dem die Lichtstrahlen auf eine Retina projiziert werden, die in die Tiefe einer Kærperhæhle verlagert ist. Evolutionsgeschichtlich låsst sich das Kameraauge in drei Stufen der Vervollkommnung aus dem flåchigen Hautlichtsinn ableiten: l

Becherauge wie es beispielsweise Planarien und Amphioxus (Branchiostoma) besitzen. Ein Pigmentschirm erlaubt Lichteintritt nur von der Seite der weit offenen Pupille her. Das schlechte Auflæsungsvermægen solcher Augen ermæglicht es gerade mal, die Haupteinfallsrichtung des Lichtes zu bestimmen. Das Becherauge ist lediglich eine Vorstufe eines Kameraauges.

l

Loch-Kameraauge des altertçmlichen, in einer Schale hausenden Tintenfisches Nautilus. Das Auflæsungsvermægen eines solchen Auges ist umso besser, je enger die Irisblende zugezogen wird; denn dabei werden die schlecht fokussierten Randstrahlen ausgeblendet. Freilich, desto geringer ist dann die Lichtausbeute.

l

Linsen-Kameraauge wie es in hæchster Perfektion bei Tintenfischen und Wirbeltieren zu sehen ist. In beiden diesen Augensystemen bilden eine glasklare Hornhaut (Cornea), das vordere Augenwasser, die Hauptlinse und der gelartige Glaskærper ein mehr-

Abb. 22.5 a, b. Abbildungsweise in einem Kameraauge (a) und einem Komplexauge (Facettenauge, b)

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Abb. 22.5 c, d. Struktur der Retina, stark vereinfacht (c2) und Diagramm zur Dichte der Photorezeptoren (d)

gliedriges, bildentwerfendes Linsensystem (dioptrischer Apparat). Der Zoomorphologe weist darauf hin, dass bei aller åuûerlichen Ûbereinstimmung zwischen Tin-

tenfisch- und Wirbeltierauge ein fundamentaler Unterschied besteht: Das Wirbeltierauge leistet sich die Kuriositåt eines inversen Auges, bei dem die Retina ¹verkehrtª auf den Augenhintergrund tapeziert wird. Das Licht muss erst die

22.2 Abbildung: Vorbedingung fçr Muster- und Bewegungssehen

(durchsichtigen) Nervenzellen und die Innenglieder der Photorezeptoren durchdringen, bevor es die Auûenglieder der Ståbchen und Zapfen erreichen kann. Diese suboptimale Konstruktion erklårt sich aus der ontogenetischen Entwicklung des Wiebeltierauges (Mçller u. Hassel 2006, Abb. 4.22). Der Tintenfisch hat dieses Problem nicht, denn er hat ein everses Auge. Zoologische Highlights Augen mit Linsen gibt es in fast allen Tierståmmen, beispielsweise auch schon bei Medusen und Quallen im Tierstamm der Cnidarier (s. Lehrbçcher der Zoologie). Eine Linse als solche ermæglicht allerdings noch kein Bildsehen. Primår ist eine Linse ein Lichtsammelapparat, der Licht aus einem græûeren Ausschnitt der Umwelt einfångt und bçndelt. Ûber ein optisches Hochleistungssystem verfçgen die Springspinnen. Wie alle Spinnen besitzen Springspinnen acht mit Linsen ausgestattete Augen. Die Besonderheit liegt in der Perfektionierung. Die seitlichen Augen wirken als Weitwinkelobjektive, mit denen man sich einen ersten Ûberblick verschaffen kann. Die vorderen Hauptaugen wirken als Makro-Teleobjektive, mit denen eine potentielle Beute nåher in Augenschein genommen werden kann. Die Augen sind beweglich und kænnen interessante Einzelheiten abscannen (Scan-Augen). Das ganze optische System ermæglicht ein Bildsehen in fast vollståndiger Rundumsicht.

sind die optischen Voraussetzungen fçr Bildsehen erfçllt (Abb. 22.6). Bei optischen Systemen mit einem ordentlichen dioptrischen Apparat liegen alle Projektionspunkte in einer Flåche, in der Bildebene. Sie muss im Photoapparat flach und eben sein, weil der Film flach und eben ist. Im Auge sollte die Bild¹ebeneª keine Ebene, sondern eine gewælbte Flåche sein. Wenn alle Bildpunkte in der Flåche liegen, in der auch die Photorezeptoren liegen, und wenn Punkte auch Punkte und nicht çberlappende Flåchen sind, ist das Bild scharf. Optische Unstimmigkeiten lassen es beim Wirbeltierauge nicht zu, ein scharfes Bild çber die ganze Retinaflåche zu erzeugen. Das optische Sys-

22.2.2 Gutes Bildsehen setzt konstruktive Læsungen voraus, die nur fçr die Fovea centralis erfçllt sind Bildsehen ist an mehrere Bedingungen geknçpft: l

Lichtstrahlen, die von einem Punkt der Umwelt ausgehen, mçssen nach dem Durchtritt durch die Linse wieder auf einem Punkt konvergieren. An diesem Punkt muss ein Photorezeptor stehen.

l

Lichtstrahlen, die von verschiedenen Punkten ausgehen, mçssen auf verschiedenen Punkten der Retina konvergieren. Nur wenn das von der Linse eingesammelte Licht nach dem Durchtritt durch die Linse wieder fein såuberlich aufgetrennt wird und je nach Herkunftsort auf verschiedene Rezeptoren projiziert wird,

Abb. 22.6. Akkommodation (Entfernungseinstellung) im Auge des Såugers/Menschen. Beachte den unterschiedlichen Kontraktionszustand des Ciliarmuskels

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tem beschrånkt sich darauf, den interessierenden Bildteil auf eine kleine Flåche der Retina zu lenken, wo im Regelfall eine scharfe Abbildung gewåhrleistet ist. Diese kleine Flåche ist die Fovea centralis (¹zentrale Grubeª). Wåhrend çberall sonst in der Netzhaut das einfallende Licht erst die nachgeschalteten Zellen (Bipolar-, Amakrin-, Ganglienzellen) passieren muss, bevor es die Photorezeptoren erreicht (Abb. 22.5), ist in der Fovea alles zur Seite geråumt. Die Netzhaut ist dort wesentlich dçnner; das Licht wird geringer gestreut und erreicht auf kurzem Weg die Photorezeptoren. Im kreisrunden, 3±4 mm2 umfassenden Areal der Fovea stehen dicht an dicht (hochgerechnet) ca. 450 000 Zapfen, die alle einzeln çber bipolare Nervenzellen mit fortleitenden Ganglienzellen verbunden sind. Das Auge muss auch mit dem Mangel eines blinden Flecks zurechtkommen. Dies ist der Ort, wo die gebçndelten Axone der retinalen Ganglienzellen als Sehnerv (Nervus opticus) das Auge verlassen. An der Austrittsstelle des Nerven bleibt kein Platz fçr Photorezeptoren. Die Natur hat einen Trick gefunden, diesen Mangel zu vertuschen. Bei der exzentrischen Lage des blinden Flecks ± er liegt nåher zur Mittellinie als die Fovea ± fållt Licht von einem Punkt des Sehfeldes nie gleichzeitig auf die blinden Flecke beider Augen. Es bleibt bei einem monokularen Defizit, der in der Regel nicht bemerkt wird. (Ein Versuch, ihn nachzuweisen, ist z. B. beschrieben in: von Campenhausen 1993, Abb. 117). 22.2.3 Augenbewegungen fokussieren die Strahlen in die Fovea centralis und erhæhen die Sehschårfe Drei Arten von Augenbewegungen helfen, das Sehbild einzufangen und auszuwerten: l

Optokinetische Bewegungen. Hier geht es um Bewegungen des Kopfes und, falls mæglich, der Augåpfel, um Bilder einzufangen und auf der Netzhaut eine gençgende Weile festzuhalten, damit sie in Ruhe ausgewertet werden kænnen. Unsere Augenmuskeln drehen das Au-

ge reflektorisch so, dass der interessierende Bildausschnitt stets auf die Fovea fållt. Das nennt man Fixieren. Die Gerade von einem fixierten Objekt hin zur Fovea ist die Sehachse (sie stimmt nicht genau mit der physikalischen optischen Achse çberein). Bei einer Hand, die man auch nur um 308 von der Sehachse wegbewegt, kann man schon nicht mehr die Finger zåhlen. l

Nystagmus und Sakkaden. Wenn wir im Eisenbahnabteil unserem Nachbarn in die Augen blicken, sehen wir in der Regel nur die langsamen Augenfolgebewegungen (Nystagmus), mit denen ein bereits fixiertes, bewegliches Objekt verfolgt wird. Der Nystagmus ist eine optokinetische Reaktion, die bei allen Wirbeltieren mit gut beweglichen Augåpfeln zu beobachten ist. Sie werden ergånzt durch Sakkaden, recht flinken Augenbewegungen zum Erhaschen eines neuen Blickpunktes, auf den sich unsere Aufmerksamkeit dann wieder eine Weile konzentrieren kann.

l

Augenzittern (Mikronystagmus). Von uns selbst und von unseren Nachbarn unbemerkt, macht unser Auge schnellste und feinste Zitterbewegungen. Sie ermæglichen es, feinste Details besser zu erfassen, als die an sich dçrftige optische Qualitåt des Auges erlauben sollte. Konturen, die sich hin und her bewegen, erzeugen im Auge zeitliche Erregungsmuster, die das Gehirn zur Konstruktion des Bildes mit heranzieht.

Wer aber bestimmt in unserem Gehirn ± fast immer ohne unsere bewusste Steuerung ± was interessant ist? Diese selbst interessante Frage nach dem Interessanten kann derzeit nicht beantwortet werden. Jedenfalls ist der Neuigkeitswert von Bedeutung, der wiederum dem Vergleich des Gesehenen mit dem im Gedåchtnis Gespeicherten entnommen wird.

22.2 Abbildung: Vorbedingung fçr Muster- und Bewegungssehen

22.2.4 Im Linsen-Kameraauge muss eine Entfernungseinstellung (Akkommodation) vorgenommen werden; das kann çber verschiedene Mechanismen geschehen Die Lage der Bildebene hinter der Linse ist eine Funktion des Abstandes des Objektes vor der Linse und der Brennweite des dioptrischen Systems. Ein Linsensystem kann nahe und ferne Objekte nicht gleichermaûen scharf in der Retinaflåche abbilden, auch nicht in der Fovea centralis. Wir wissen von unserem Fotoapparat, dass bei kurzen Brennweiten (Weitwinkelobjektive) die ¹Tiefenschårfeª oder ¹Schårfentiefeª groû ist. Die Strahlen sind hinter der Linse nahezu achsenparallel und eng genug gebçndelt, sodass Bildpunkte zu Såulen und entsprechend die Bildflåche zu einer tiefen Bildschicht gedehnt sind. Bei solch tiefen Bildschichten kommt es nicht so sehr darauf an, in welcher Ebene genau die Ståbchen und Zapfen liegen; ferne wie nahe Gegenstånde werden gleichzeitig ausreichend scharf abgebildet; eine besondere Entfernungseinstellung ist nicht erforderlich. Anders bei Normal- oder gar Teleobjektiven. Hier muss eine Entfernungseinstellung vorgenommen werden. Unser Auge hat eine Brennweite von f = 17 mm. Trotzdem ist es kein Weitwinkelobjektiv, weil der Abstand Linse-Retina kçrzer ist als der Abstand Linse-Filmebene im Fotoapparat. Das f = 17 mm unseres Auges entspricht dem Normalobjektiv mit f = 50 mm beim Fotoapparat alter Art und f % 30 bei Digitalkameras. Akkommodation im Auge des Menschen. Die Linse ist çber rings ansetzende Faserzçge (Zonulafasern) in einer ringfærmigen Fassung, dem Ciliarkærper, aufgehångt. Diese Fassung ist elastisch und von einem Ringmuskel umgeben. In der Einstellung auf die Ferne weitet der hydrostatische Binnendruck im Augapfel den Ring des Ciliarkærpers; die Aufhångefasern sind gespannt, die Linse ist gedehnt, ihre vordere Wælbung abgeflacht (Abb. 22.6).

Bei der Naheinstellung kontrahiert sich der Ringmuskel, die Linsenfassung wird (nach Art einer Pupille) enger, die Zugspannung auf die Aufhångefasern låsst nach und die Linse nimmt aufgrund ihrer Eigenelastizitåt eine stårkere Wælbung ein. Nachlassende Elastizitåt der Linse im Alter ist Ursache dafçr, dass im Alter eine Naheinstellung nicht mehr gelingen will. Man braucht eine Lesebrille. Die Altersweitsichtigkeit ist keine geistige Weitsichtigkeit! Weitsichtig waren indes Thomas Young und Hermann von Helmholtz, die schon im vorigen Jahrhundert die soeben vorgetragene Theorie der Akkommodation aufgestellt haben.

Abb. 22.7. Akkommodation bei einem Fisch und beim Kormoran, bei dem die durch Muskelkraft erzwungene Vorwælbung der Linse nicht nur wie bei anderen Vægeln der Naheinstellung dient, sondern auch (wie bei anderen tauchenden Vægeln) der Anpassung des Auges an das Sehen unter Wasser

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22 Der Sehsinn

Zoologisches zur Scharfeinstellung und Anpassung an den Lebensraum: Es gibt im Tierreich mehrere Mæglichkeiten der Entfernungseinstellung (Abb. 22.7): 1. Die Lage der Linse wird verschoben; zur Naheinstellung wird die Linse ausgefahren und dem Objekt genåhert. So machen es der Fotoapparat, der Fisch und der Frosch. 2. Die Brennweite der Linse wird veråndert. In der Ruhestellung ist die Linse gering gekrçmmt und auf die Ferne eingestellt. Zur Naheinstellung wird die Vorderflåche der Linse stårker vorgewælbt; damit wird die Brennweite der Linse verkçrzt. Dazu gibt es zwei Untermæglichkeiten: l

Beispiel Vægel: Die Linse wird çber einen Ringmuskel der Iris gequetscht.

l

Beispiel Såuger: Wie oben fçr den Menschen erlåutert, steht die Linse bei Ferneinstellung unter Zugspannung; bei Naheinstellung darf die Linse ihre stårker gekrçmmte, entspannte Form einnehmen.

Wassertiere, tauchende Tiere brauchen andere Linsen als Tiere, die in der Luft leben. Die Unterschiede in der Brechkraft zwischen Wasser und Linse sind viel geringer als zwischen Luft und Linse. Zur Kompensation muss eine Linse unter Wasser viel stårker gekrçmmt sein. Fische haben nahezu kugelfærmige Linsen; eine stårkere Krçmmung ist nicht mehr mæglich. Daher erfolgt die Naheinstellung durch Vorschieben der Linse. Ein Kormoran quetscht beim Eintauchen ins Wasser sein Auge çber Muskeln in einer Weise, dass sowohl die Hornhaut wie die Linse sich stårker vorwælben. Die stårkere Krçmmung ermæglicht nicht nur eine Nahakkommodation, sondern passt zugleich das Auge den verånderten Brechkraftverhåltnissen unter Wasser an.

22.2.5 Helligkeitsanpassung: Pupille, Inbetriebnahme der Ståbchen oder Zapfen und Steuerung der Rhodopsinmenge erlauben eine Anpassung çber mehrere Græûenordnungen Zwischen dunkler Nacht und gleiûendem Sonnenlicht liegen mehrere Græûenordnungen (bis zu elf!) an Intensitåten (wie immer man auch Intensitåt definiert). Die Irisblende der Pupille erlaubt eine relativ rasche Adaptation. Bei offener Blende gelangt bis zu 80-mal mehr Licht ins Auge als bei zugezogener Blende. Eine reflektorische Verengung der Pupillenæffnung reicht umgekehrt oft schon aus, um bei hellem Licht eine Blendung des Auges zu vermeiden. Die Reflexkette des Regelkreises låuft von den Zapfen der Netzhaut çber den Sehnerven, zweigt aber bald von der Sehbahn ab und fçhrt çber parasympathische Nervenbahnen zur glatten Muskulatur der Iris. Eine Sollwertverstellung ist mæglich. Soweit es die Lichtverhåltnisse erlauben, wird die Blende zugezogen, weil damit durch Ausblenden der Randstrahlen das Retinabild an Schårfentiefe gewinnt. Wie beim Fotoapparat ist bei Naheinstellung ein Gewinn an Schårfentiefe besonders vorteilhaft. Unser Auge arbeitet nach einer Belichtungsautomatik, die nach Mæglichkeit der Schårfentiefe Vorrang einråumt. In der zweiten Stufe der Anpassung an unterschiedliche Lichtverhåltnisse setzen wir Sensoren unterschiedlicher Empfindlichkeit ein. In der Dåmmerung schalten wir unsere Schwachlichtrezeptoren, die Ståbchen ein, am hellen Morgen die Starklichtrezeptoren, die Zapfen. In der physiologischen Fachsprache spricht man von skotopischem Sehen (Schattensehen) und photopischem Sehen (Lichtsehen). Der Farbentçchtige bemerkt die Umstellung. Mit dem Einschalten der Ståbchen in der abendlichen Dåmmerung verlieren wir die Fåhigkeit, Farben zu unterscheiden und sehen nur noch Graustufen. Ståbchen entsprechen einem hochempfindlichen Schwarz-Weiû-Film; die Zapfen einem geringer empfindlichen Farbfilm. Aber unser Auge kann viel mehr.

22.2 Abbildung: Vorbedingung fçr Muster- und Bewegungssehen

Beim Ûbergang vom Zapfensehen (photopisches System) zum Ståbchensehen (skotopisches System) wird auf mehreren Ebenen ein Gewinn an Lichtausbeute erzielt. l

Einzelsensitivitåt: Jedes einzelne Ståbchen hat mehr Disks und mehr Rhodopsin als ein Zapfen. Darçber hinaus kann jedoch bei Bedarf durch Neusynthese von Rhodopsin der Gehalt enorm gesteigert werden. Man braucht allerdings bis zu zwei Stunden Zeit, um sich voll an eine schwach beleuchtete Umwelt anzupassen. Am Ende sind die Ståbchen 1 000-mal lichtempfindlicher als die Zapfen.

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Anzahl: Wir haben 100 bis 130 Millionen Ståbchen aber nur 5±6 Millionen Zapfen.

l

Konvergenz: Um die Sensitivitåt fçr Schwachlicht weiter zu erhæhen, sind mehrere Ståbchen durch ¹gap junctionsª zu funktionalen Einheiten verbunden, und je 130 Ståbchen liefern ihre Meldungen an ein und dasselbe Neuron. Beim nachtaktiven Tiger gar konvergieren je 2500 Ståbchen auf ein Neuron. Damit ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Neuron zum Feuern gebracht wird, entsprechend gesteigert. Die so gewonnene Empfindlichkeitssteigerung geht freilich auf Kosten der råumlichen Auflæsung. Der Úffnungsgrad der ¹gap junctionsª ist regulierbar. Je nach Bedarf kænnen so mehr oder weniger Ståbchen zu funktionellen Einheiten zusammengefasst werden. Regulierbare synaptische Verbindungen gibt es auch zwischen Zapfen und Ståbchen. Sie dokumentieren die Fåhigkeit des Auges, sich dynamisch auf wechselnde Anforderungen einstellen zu kænnen. Diese Dynamik ist die ,hæhere Mathematik` des Sehsystems und kann im Rahmen eines einfçhrenden Lehrbuches nicht behandelt werden.

Wo es auf hæchste råumliche Auflæsung ankommt, in der Fovea centralis, haben alle die dort versammelten 450 000 Zapfen eine eigene Zuleitung zu den hæheren datenverarbeitenden Instanzen. In der Dåmmerung allerdings wird die Fovea beim Unterschreiten einer kritischen Lichtintensitåt zu einem zweiten blinden Fleck. (Der erste

permanente blinde Fleck kennzeichnet die Stelle, wo der Sehnerv das Auge verlåsst und weder Zapfen noch Ståbchen Platz finden.) Zoologisches: Ausgesprochene Dåmmerungsund Nachttiere haben in der Regel (fast) nur Ståbchen, so die Fledermåuse. Ausgesprochene Tagtiere wie Geckos und viele Vægel haben umgekehrt die Zahl der Zapfen auf Kosten der Ståbchen erhæht. Tiere, die Tag und Nacht aktiv sind wie Katzen und Kaninchen, und ebenso wir Menschen haben ca. 95% Ståbchen und 5% Zapfen. Retinomotorik: Manche Fische kænnen tagsçber die Auûenglieder ihrer empfindlichen Ståbchen aus der Bildebene heraus nach hinten in den Schutzschirm des Pigmentepithels schieben. Nachts ziehen sie die Auûenglieder der Ståbchen wieder aus der Pigmentschicht heraus und in die Bildebene hinein, und schieben statt dessen die Auûenglieder der Zapfen in die verdunkelte Schlafkammer hinein. Eine solche Retinomotorik scheint es bei Såugern nicht zu geben.

Wie Ståbchen oder Zapfen ein- oder ausgeschaltet werden, darçber werden gegenwårtig Hypothesen geschmiedet. Sie argumentieren mit der Fåhigkeit des Auges, auf der Ebene der Ståbchen und Zapfen die querverbindenden elektrischen Synapsen zu regulieren und auf den nachgeschalteten Ebenen der Neurone auch die Arbeitsweise und Ansprechbarkeit der chemischen Synapsen. Jedenfalls wird darçber hinaus die Menge des Rhodopsins gesteuert. Die Umschaltung wird erfahrbar l

durch unsere Lichtempfindlichkeit. Schaltet man nachts das Licht an, sind wir geblendet und das Auge schmerzt, bis die Sensitivitåt der Ståbchen heruntergedrosselt ist. Umgekehrt wird das Einschalten der Ståbchen durch verbessertes Sehen im Dåmmerlicht erfahrbar;

l

durch das Purkinje-Phånomen. Ståbchen absorbieren optimal im kurzen Wellenlångenbereich um 500 nm, der beim Tagsehen çberwiegend die Blaurezeptoren reizt. Der Pullover, der am hellichten Tag leuchtend rot erscheint, wird in der Dåmmerung dunkler und dunkler und schlieûlich schwarz. Der tagsçber wenig auffallende blaue Pullover hingegen gewinnt an relativer Helligkeit;

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22 Der Sehsinn l

durch den Verlust oder Gewinn der Farbtçchtigkeit. Nur mit Zapfen kænnen wir Farben unterscheiden und diese brauchen mehr Licht als die Ståbchen. Der Umkehrschluss ist allerdings nicht zulåssig. Ståbchen sind nicht notgedrungen tagsçber gånzlich auûer Betrieb. Sie kænnten sehr wohl dazu beitragen, wieviel Schwarz, Grau oder Weiû der gesehenen Farbpalette beigemischt ist.

22.3 Farbensehen und erste Verarbeitung optischer Information in der Retina Das Wechselspiel zwischen Physik, Physiologie und subjektivem Erleben, zwischen Physis und Psyche, wird bei kaum einem anderen Sinnessystem augenfålliger als beim Farbensehen. Wenn wir von unserer subjektiven, nur jeweils mir oder Dir erfahrbaren Innenwelt absehen und Tiere mit in die Betrachtung einbeziehen, ist Farbensehen die Fåhigkeit, ein Lichtbild nicht nur nach dem Muster der Photonenstromdichte (Intensitåt), sondern auch nach dem Muster der ærtlichen spektralen Zusammensetzung auswerten zu kænnen. Diese Fåhigkeit ist alles andere als trivial. Farben werden im Grunde nicht gesehen, sondern

Abb. 22.8 a. Farbenkreis des farbentçchtigen Menschen

vom Zentralnervensystem erschaffen, allerdings auf der Basis externer Information. Unsere Zapfen im Auge sind keinesfalls physikalische Messinstrumente zum Messen der Frequenz oder Wellenlånge elektromagnetischer Wellen. 22.3.1 Auch wenn ein Sehfarbstoff mehr Licht von dieser als von jener Farbe absorbiert, ist damit ein Farbensehen noch keinesfalls mæglich Farbensehen ist gleichbedeutend mit der Fåhigkeit, Licht verschiedener Frequenz bzw. Wellenlånge voneinander unterscheiden zu kænnen (Farbunterscheidung). Es war beilåufig erwåhnt worden, Ståbchen absorbierten bevorzugt im kurzwelligen Bereich. Wir untersuchen dies nun nåher. Wir bestrahlen intakte Ståbchen oder Zapfen oder auch bloû Rhodopsin-Extrakte aus den Photorezeptoren mit Licht verschiedener Wellenlånge. Bei jeder neu gewåhlten Wellenlånge wird

Abb. 22.8 b. Farbdreieck (Normfarbtafel nach DIN 5033)

22.3 Farbensehen und erste Verarbeitung optischer Information in der Retina

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BOX K 22.2

Zur Psychophysik der Farben Es gibt in der Wissenschaft einen wunderbaren Paradefall fçr die Entwicklung und das Schicksal wissenschaftlicher Theorien. Dieser Paradefall ist die Entwicklung der Theorie des Farbensehens. Es haben sich zwei konkurrierende Theorien herausgebildet, die eine wurde zur dominierenden Theorie des Schulbuchs, die andere zur wenig beachteten Auûenseitertheorie. Das Befriedigende ist, dass in diesem Fall nach Jahrzehnten der Auseinandersetzung beide Theorien Recht bekamen, keine aber vollståndig und beide auf verschiedenen physiologischen Ebenen. Beide trugen komplementåre Kernaussagen zur heutigen Sicht bei. Theorienbildung beginnt meistens mit alltåglichen Beobachtungen. Reine Psychologie: Urfarben, Farbenkreis und Farbenraum Urfarben. Es gibt im Spektrum der gesehenen Farben vier Farbtæne, die uns rein erscheinen und nicht den Eindruck vermitteln, als wåren sie zusammengesetzt. Diese vier Farben sind Blau, Grçn, Gelb und Rot. Es sind neben den ¹unbuntenª Farben Schwarz, Grau und Weiû (und der schwer definierbaren Mischfarbe Braun) die einzigen Farben, die in der deutschen Sprache einen eigenen Namen haben. Alle anderen Farbtæne werden mit Mischworten belegt (Blaugrçn) oder man benennt die Farbe nach einem bekannten Objekt, das diesen Farbton aufweist (orange nach Orange, violett nach Viola = Veilchen). Farbenkreis. Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften unseres visuellen Systems ist es, dass es die lineare physikalische Wellenlångenskala nicht einfach getreu widerspiegelt. Viel mehr werden die bunten Farbtæne in unserer Empfindungswelt zu einem geschlossenen Kreis verbunden. Erhålt man die Aufgabe, nach purem Eindruck Farbtæne zu ordnen, wird man spontan Gelbgrçn zwischen Gelb und Grçn,

Blaugrçn zwischen Blau und Grçn einschieben. Man wird aber auch Violett und Purpur zwischen Blau und Rot einordnen. Man erhålt einen geschlossenen Kreis, bei dem der zwischen Blau und Rot vermittelnde Farbton Purpur keiner definierten Einzelwellenlånge entspricht, sondern nur durch Farbmischung erzeugt werden kann. Das diskutieren wir nachfolgend genauer. Zuvor erweitern wir erst den Farbenkreis zur Farbenscheibe und zum Farbenraum. Farbenscheibe. Farbtæne treten in verschiedenen Såttigungsgraden auf; sie kænnen blasser und blasser werden, bis mit Weiû der Såttigungsgrad Null erreicht ist. Zwischen sattem Rot und Weiû liegt Rosa, zwischen sattem Blau und Weiû vermittelt blasses Himmelsblau. Spielt man dies fçr alle Farben durch, erhålt man eine Farbscheibe. In der Peripherie der Scheibe sind die gesåttigten Farben aufgereiht, im Zentrum liegt Weiû (s. Abb. 22.8). Um die kontinuierlichen Ûbergånge vom gesåttigten Farbton zum Weiû ansprechen zu kænnen, hat man das Wort der zunehmenden Weiûverhçllung geprågt. Der Einfachheit halber beschrånken wir uns auf die bunten Farben des Regenbogens und lassen Glanzfarben wie Gold und Silber aus dem Spiel. Auch wollen wir auûer Acht lassen, dass das Weiû der Milch sehr verschieden ist vom farblosen Weiû des klaren Wassers. Das Weiû von Milch und Papier reflektiert alle Spektralfarben (100% Reflexion), das Weiû von Wasser und einer Glasscheibe låsst alle Spektralfarben passieren (100% Transmission). Gemeinsam ist allen Spielarten des Weiû, dass weiûes Material keine Wellenlånge des sichtbaren Spektrums selektiv absorbiert.

Farbenraum. Das Gegenstçck zur Weiû-Verhçllung (Farbhelligkeit) ist die Schwarz-Verhçllung (Dunkelstufe). Zwischen Blau und Schwarz vermitteln Dunkelblau und Blauschwarz; zwischen Rot und Schwarz sowie Gelb und Schwarz vermitteln verschiedene Ocker- und Brauntæne. Man erhålt wieder eine Farbscheibe, in deren Zentrum nun Schwarz liegt. "

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22 Der Sehsinn

BOX K 22.2 (Fortsetzung)

Will man die verschiedenen Farbtæne mit ihrer Weiûverhçllung und ihrer Schwarzverhçllung zusammen darstellen, kann man die Form einer Kugel oder eines Doppelkegels wåhlen (s. Abb. 22.9). Auf jeden Fall erfordert die Darstellung ein dreidimensionales Gebilde. Bei der Kugel oder dem Doppelkegel liegt am oberen Pol Weiû, am unteren Schwarz; die vollgesåttigten Farben liegen auf dem Øquator. Es gibt weitere Darstellungsformen. Eine beliebte Alternative zum Farbenkreis ist das Farbendreieck. Professionelle Darstellungen, beispielsweise die Normenfarbtafel nach DIN 5033, wåhlen als zweidimensionale Grundform eine Figur, die zwischen Kreis und Dreieck liegt, mit zwei gebogenen und einer geraden Kante. Diese Normentafel berçcksichtigt die Ergebnisse der additiven Farbmischung. In der Farbindustrie werden Farben definiert nach (1.) Farbton, (2.) Såttigungsgrad (Weiûverhçllung) und (3.) Dunkelstufe (Schwarzverhçllung). Andere Definitionen gehen von den Mæglichkeiten reproduzierbarer Farbmischungen aus.

Es kommt Physik mit ins Spiel: additive Farbenmischung und RGB-System Die additive Farbmischung ist dem Laien in der Regel fremd. Es ist die traditionsreiche Labormethode, welche die groûen (zumeist britischen) Physiker des 18. und 19. Jahrhunderts entwickelt haben, und die dem Laien erst mit der Einfçhrung des Farbmonitors als Bildschirm des PC zur Verfçgung steht (falls er auch ein entsprechendes Grafikprogramm geladen hat). Man geht von monochromatischem Licht aus, wie es Isaac Newton (1643±1727) mit seinen Prismen zur Verfçgung stellte. Monochromatisches Licht ist Licht einer einzigen, definierten Wellenlånge. Den Drei-Projektoren-Versuch (s. Abb. 22.10), mit dem (in abgewandelter Form) auch heute noch die Farbtçchtigkeit eines Auges untersucht wird, hat der schottische Physiker James Clerk Maxwell entwickelt. Auch Hermann von Helmholtz hat mit der gleichen Grundausstattung an Geråten experimentiert.

Man benutzt mindestens zwei, besser drei Projektoren. Anstelle des Dias wird ein (sehr teures) Filter eingeschoben, das Licht nur einer einzigen Wellenlånge passieren låsst. Die Lichtkegel der drei Projektoren werden nebeneinander oder çberdeckend auf eine weiûe Projektionsflåche gerichtet (s. Abb. 22.10). Die Ergebnisse entsprechen teils unserer Erwartung, teils sind sie ganz und gar unerwartet. Es wurden folgende Regeln gefunden: l Ein bestimmter Farbton låsst sich durch ein monochromatisches Licht erzeugen oder durch das balancierte Mischen zweier oder mehrerer monochromatischer Lichter. Gelbgrçn låsst sich durch Mischen von Gelb (575 nm) und Grçn (546 nm) erzeugen aber auch durch monochromatisches Licht der dazwischen liegenden Wellenlånge 555 nm. Eine gesehene Mischfarbe muss also nicht auf Mischlicht zurçckgehen. Eine Ausnahme bildet Purpur (und das ebenfalls zwischen Blau und Rot angesiedelte Magenta), das nur durch Mischen von Rot (700 nm) und Blauviolett (430 nm) erzeugt werden kann. l Verblçffend ist, dass man reines Gelb nicht nur mit 575 nm sondern auch durch Mischen von Rot (700 nm) und Grçn (546 nm) hervorbringen kann. Der klassische Versuch Maxwells zur Prçfung einer Rot-Grçn-Blindheit beruht auf diesem Effekt. Die neugierige Kandidatin oder der Kandidat sieht auf der Projektionsflåche ein Referenzgelb, das Projektor Nr. 3 mit 575 nm erzeugt. Neben dem gelben Referenzfeld mischt dann der Proband mit den Projektoren Nr. 1 und Nr. 2 Rot und Grçn und variiert deren Intensitåt solange, bis das Mischlicht den gleichen gelben Farbton hat wie das Referenzlicht. Normalsichtige brauchen stets Rot plus Grçn, um Gelb sehen zu kænnen. Fehlsichtigen gençgt Grçn (Rotblinde) oder Rot (Grçnblinde), um den gleichen Farbeindruck zu erhalten, den fçr sie der Referenzprojektor hervorruft. "

22.3 Farbensehen und erste Verarbeitung optischer Information in der Retina

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BOX K 22.2 (Fortsetzung) l

Je weiter im Farbenkreis zwei Farben auseinanderliegen, desto blasser wird das Mischlicht. Werden zwei einander diametral gegençberliegende Wellenlången gemischt, entsteht Weiû. Gegençberliegende Farben bilden Komplementårfarben, die sich wechselseitig zu Weiû ergånzen.

Ein Blick auf den Farbenkreis zeigt, dass es zu reinem Grçn keine singulåre Komplementårfarbe gibt; denn dem Grçn steht der Bereich des Purpur und Magenta gegençber, denen keine singulåre Wellenlånge entspricht. Man kann dieses Fehlen einer geeigneten Gegen-Monowellenlånge dadurch kompensieren, dass man zum Grçnlicht (546 nm) eine Mischung von 430 nm und 750 nm addiert. In der gesamten Weltliteratur werden trotzdem Rot und Grçn als Gegenfarben aufgefçhrt. Die begangene Sçnde ist låsslich. Ersetzt man Rot durch Rotorange und Grçn durch Blaugrçn, stimmts ja.

Die Fçlle der in die Millionen gehenden unterscheidbaren Farbtæne und ihrer verschiedenen Såttigungsgrade kann durch Mischen dreier monochromatischer Farben erreicht werden, die im Farbkreis ein gleichseitiges Dreieck bilden. Im klassischen Versuch und nach internationaler Norm sind dies l l l

Blauviolett (435 nm), Grçn (546 nm) und Rot (700 nm).

Das Fernsehen und ebenso der Farbmonitor machen sich die Dreierregel zunutze. Sie erzeugen Farbbilder im RGB-Modus (Rot±Grçn±Blau) und dieser Modus ist ein additives Verfahren. Der Bildschirm ist von einem Raster aus zahlreichen Dreiloch-Gruppen çberzogen. Jede Dreiloch-Gruppe liefert einen Bildpunkt (Pixel) mit einem Blau-, einem Grçn-, und einem Rot-Subpixel. Diese Subpixel liegen so nahe beieinander, dass sie unser Auge nicht getrennt wahrnehmen kann. Ungleichmåûige Leuchtdichten der drei Subpixel erzeugen einen Farbeindruck, gleichmåûige Leuchtdichten erzeugen hingegen unbunte Bildpunkte von Schwarz çber Grau zu Weiû. Sind alle drei Farbkanåle voll aufgedreht,

erscheint der Gesamtpixel weiû, sind alle drei Kanåle geschlossen, erscheint der Pixel schwarz. Farben des Alltags: subtraktive Farbmischung und CMYK-System des Grafikers Es ist schon seltsam, dass bei der additiven Farbmischung Rot und Grçn Gelb ergibt. Kåufliche rote und grçne Malfarben zusammengerçhrt ergeben ein schmutziges Braun oder Grau, niemals aber Gelb, egal ob ich Wasserfarben, Dispersionsfarben oder ælige Lackfarben mische. Noch seltsamer: jeder hat schon mal mit dunklem Blau und intensivem Gelb schænste Grçntæne erzeugt aber niemals Weiû, wie es die additive Farbmischung behauptet, erzeugen zu kænnen. Die subtraktive Farbenmischung ist uns vom Alltag vertraut. Ob wir durch ein buntes Glasfenster blicken oder ganz simpel eine Blume betrachten oder in die Landschaft schauen, unterliegen wir den Regeln einer subtraktiven Farbenmischung. Trotz ihrer Alltåglichkeit ist die subtraktive Farbenmischung schwieriger zu verstehen als die pure additive, weil vieles im Verborgenen bleibt und weil sie die Regeln der additiven Farbenmischung mit einschlieût. Die Grundregel ist einfach: Man schneidet aus dem Farbenkreis ein Segment heraus und entfernt es (Subtraktion). Nach dem Herausfiltern einer Farbe durch Absorption dominiert in der restlichen, gesehenen Gesamtfarbe die gegençberliegende Farbe (Gegenfarbe, Komplementårfarbe). Schneidet man Gelb (genauer Orange) aus dem Spektrum aus, sieht der ganze Rest Blau aus! Daher die Aussage, die subtraktive Farbenmischung halte vieles im Verborgenen. Ich kann nicht oder nur schwer unterscheiden, ob der Pullover meines Nachbarn ausschlieûlich Licht der Wellenlånge 435 nm reflektiert oder ein breites Spektrum, dem bloû der Gelb-Orange-Anteil fehlt. Entsprechend sind die Ergebnisse von Farbmischungen schwer kalkulierbar. "

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22 Der Sehsinn

BOX K 22.2 (Fortsetzung)

Eine merkfåhige (wenn auch ungenaue) Regel sagt: l Herausschneiden von Blau ergibt Gelb, l Herausschneiden von Gelb ergibt Blau, l Herausschneiden von Grçn ergibt Rot, l Herausschneiden von Rot ergibt Grçn. Auch hier gilt natçrlich wieder, dass es zu purem Grçn keine exakte Gegenfarbe gibt. Fehlen jedoch Blauviolett und Rot gemeinsam, dominiert im Rest Grçn. Fçr Biologen ist wichtig: Eine Pflanze ist grçn, weil sie çberwiegend Rot und Blauviolett absorbiert. Die grçne Pflanze schåtzt Grçn nicht, sondern reflektiert es! Umgekehrt erscheint das Blut rot, weil das Håmoglobin çberwiegend Grçn absorbiert. Es sollte aufgefallen sein, dass soeben als Gegenpaare die gleichen Farben genannt wurden, die bei der additiven Farbenmischung Weiû ergeben. Das ist gewiss kein Zufall. Es liegt eine Art Waagesystem vor: Halten sich Gegenfarben die Waage, læschen sie wechselseitig ihren Buntton aus; die Helligkeit wird jedoch zum Weiû gesteigert. Wie entsteht nun aus den Malerfarben Blau plus Gelb Grçn? Zum leichteren Verståndnis untersuchen wir zuerst die Transmission durch ein Blau-Glas und ein Gelb-Glas (s. Abb. 22.11). l

Das blaue Filterglas absorbiert langwelliges Licht (und verwandelt es in Wårme); es schluckt Gelb und Orange vollståndig, Rot nur teilweise. Die nichtverschluckten kçrzeren Wellenlången, unter ihnen auch Grçn, werden hindurch gelassen und treffen unser Auge. Weil Gelb-Orange ganz herausgeschnitten wurde, dominiert in diesem hindurch gelassenen Restgemisch fçr unser Auge die Gegenfarbe Blau. Grçn ist im hindurch gelassenen Licht durchaus auch dabei, wird aber durch Addition mit dem Restrot zum unauffålligen Gelb modifiziert und kommt visuell nicht zur Geltung.

l

Ein gelbes Filterglas absorbiert die kurzen Wellenlången Blau und Blauviolett und låsst das Restspektrum passieren, in dem zwar visuell Gelb dominiert, sich aber wiederum versteckte Grçnreste befinden.

l

Hålt man beide Glasscheiben gleichzeitig und einander çberdeckend vor das Auge, so ¹frisstª das Blauglas das vom Gelbglas durchgelassene Gelb, das Gelbglas umgekehrt das vom Blauglas hindurch gelassene Blau. Beide Glåser verschmåhen Grçn und lassen es durch: wir sehen Grçn.

Mischt man Pigmentfarben, so ist das Wort Glas durch Pigment zu ersetzen, und das Wort Transmission durch Reflexion. Grafiker und Buchdrucker kænnen auf Papier keine monochromatischen Lichtquellen auftragen. Sie mçssen sich mit der schwer durchschaubaren subtraktiven Farbenmischung herumschlagen. Der Buchdrucker bevorzugt im Vierfarbendruck ein System, bei dem Farben gemischt werden, die wie Cyan (C), Magenta (M) und Gelb (Y = Yellow) aussehen; dazu kommt Schwarz. Cyan-Pigmente schlucken Orangerot, Magenta-Pigmente filtern Grçn weg, Gelb-Pigmente schlucken Blauviolett. Im Gegensatz zum additiven Mischsystem ergibt eine satte Mischung aller drei Farben nicht Weiû, sondern Schwarz. (Weil das Schwarz nicht immer satt genug ausfållt, wird çber den K-Kanal noch Schwarz beigemischt ± daher CMYK-System.) Das CMYK-Farbmischsystem im Grafikprogramm des PC imitiert die Resultate einer solchen subtraktiven Farbmischung. Eine erste Theorie: die trichromatische Theorie Die Dreifarben- oder trichromatische Theorie des Farbensehens geht auf den Physiker und Arzt Thomas Young (1773±1829) zurçck. Sie wurde untermauert und weiterentwickelt durch "

22.3 Farbensehen und erste Verarbeitung optischer Information in der Retina

BOX K 22.2 (Fortsetzung)

die Arbeiten der Physiker John Dalton (1766±1844), James Clerk Maxwell (1831±1894) und Hermann von Helmholtz (1821±1894). Die trichromatische Theorie geht von der Existenz von drei Rezeptortypen aus. Selten haben hypothetische Vorhersagen so gut ins Schwarze getroffen wie diese Vorhersage. Jedes Schulbuch weiû seither, es gåbe drei Zapfentypen: einen fçr Blau, einen fçr Grçn und einen fçr Rot. Freilich, noch seltener sind Vorhersagen vollståndig perfekt. Dass der Rotrezeptor maximal gar nicht im Rot, sondern im Gelbgrçn absorbiert, wird im Haupttext erærtert. Die Gegenfarbentheorie des Auûenseiters Hering Der Physiologe Ewald Hering (1834±1918) ging in seiner Hypothese vom System der Gegenfarben aus. Danach sollte es ein Blau-Gelb- und ein Rot-Grçn-System geben. Gegenfarben sollten antagonistische Reaktionen auslæsen (dem Modegeist entsprechend sprach er von ¹Assimilationª und ¹Dissimilationª). Hielte sich ein RotGrçn-Paar die Waage, læschten sich Rot und Grçn zu Weiû aus. Entsprechendes gålte fçr

Abb. 22.9. Farb-Doppelkegel, entwickelt aus dem Farbenkreis (Øquatorlinie) zur Darstellung der Helligkeitsgrade (oberer Kegel) und der Dunkelstufen (unterer Kegel)

das Blau-Gelb-System. Als Ergånzung zu den Farbpaaren nahm er ein antagonistisches Schwarz-Weiû-Gegensystem an. Hering sah seine Hypothese unterstçtzt durch die ihm bekannten Fålle der Farbenblindheit, mehr noch durch das Phånomen der Farbkontraste. Farbenblindheit: Ca. 8% der Månner kænnen Rot und Grçn nicht unterscheiden, andere (weniger) Menschen haben augenscheinlich Defekte im Gelb-Blau-System. Simultankontrast. Blickt man lange auf eine grellrote Flåche, bekommt sie einen grçnen Rand (und umgekehrt). Eine helle gelbe Figur bekommt einen blauen Rand (und umgekehrt). Sukzessivkontrast. Blickt man lange auf eine grellrote Flåche und schaltet dann das Licht aus, sieht man im stockdunklen Raum ein grçnes Nachbild (und umgekehrt). Eine gelbe Figur wird von einem blauen Nachbild abgelæst (und umgekehrt). Die Physiologie hat heute befriedigende Hypothesen, wie solche Erscheinungen zustande kommen.

Abb. 22.10. Additive Farbenmischung im Drei-ProjektorenVersuch nach Maxwell und von Helmholtz

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22 Der Sehsinn

Abb. 22.11. Subtraktive Farbenmischung mittels zweier farbiger Glåser

on oder Extinktion). Der Farbstoff nimmt trotz jeweils gleichem Angebot an Photonen je nach der Wellenlånge mal wenig, mal viel, dann wieder wenig Photone auf. Man erhålt eine asymmetrische Absorptionskurve (Abb. 22.12). Eine solche Kurve ermæglicht fçr sich noch keine Farbunterscheidung. Ein Rezeptor wçrde zwar sein Rezeptorpotential je nach Wellenlånge modulieren. Die Frequenz der letztendlich von den Ganglienzellen der Retina ins ZNS weitergeschickten Aktionspotentiale wçrde steigen, ein Maximum erreichen und wieder fallen. Das geschåhe aber auch, wenn bei gleichbleibender Wellenlånge lediglich die Photonenstromdichte erhæht und wieder gesenkt wçrde. Die visuellen Zentren im Gehirn kænnten nicht herausfinden, ob eine sich åndernde Frequenz der einlaufenden Aktionspotentiale von einer Ønderung der Helligkeit oder der Farbe des Lichtes verursacht worden ist. Jede Frequenzmodulation wåre mehrdeutig.

die Intensitåt des Mess-Strahls auf die gleiche Photonenstromdichte einjustiert. Dann misst man, welcher Prozentsatz der eingestrahlten Photone vom Rhodopsin verschluckt wird (Absorpti-

Abb. 22.12. Absorptionskurven der Zapfen-Sehpigmente. Einen gleichen Verlauf haben die Kurven der spektralen Empfindlichkeit der lebenden Zapfen. Fçr die Farbwahrnehmung entscheidend sind die Verhåltnisse der Absorptionswerte (relative Balkenlången)

22.3 Farbensehen und erste Verarbeitung optischer Information in der Retina

22.3.2 Das grundlegende physiologische Problem ist: Wie kann man verschiedene Reizparameter (z. B. Farbe und Helligkeit) codieren, wenn zur Fernleitung von Information nur die Frequenz der Aktionspotentiale moduliert werden kann? Beim Insektenauge wird ein weiteres Problem hinzukommen: Es werden Farbe, Helligkeit und Polarisationszustand des Lichtes codiert werden mçssen. Die Læsung des Prinzips kann nur sein: Es mçssen mehrere verschiedene Rezeptortypen (beim Wirbeltier Zapfentypen) eingesetzt werden, denen im Zuge einer Arbeitsteilung verschiedene Aufgaben zugeteilt werden. Die spektralen Arbeitsbereiche der verschiedenen Typen mçssen unterschiedlich sein. Damit gewinnt das ZNS die Mæglichkeit, eine weitere Informationsquelle zu erschlieûen. Das Gehirn fragt nicht nur, mit welcher Frequenz feuert eine bestimmte Zuleitung, sondern auch, welche Leitung liefert denn çberhaupt eine Meldung? Beim Gehær war das entsprechende Dilemma die Codierung von Tonhæhe versus Lautstårke. Die Læsung des Problems war eine råumliche Abbildung der Tæne auf der Cochlea und eine Arbeitsteilung unter vielen Rezeptoren. Die Haarzellen nahe der Schneckenspitze messen die Lautstårke tiefer Tæne, die mçndungsnahen Haarzellen messen die Lautstårke hoher Tæne. Daraus, wer feuert, weiû das Gehirn, welche Tonhæhe der Laut hat. Die Frequenz der Aktionspotentiale spiegelt dann die Lautstårke des jeweiligen Tons wider. Wir erwarten, dass das Auge eine åhnliche Læsung gefunden hat.

22.3.3 Man braucht verschiedene Rezeptoren mit çberlappenden Absorptionskurven. Der Vergleich zwischen den Rezeptoren schafft Klarheit Es ist verbreitetes Wissensgut, dass wir drei verschiedene Zapfentypen haben. Die Absorptionskurven der drei Typen haben ihre Maxima in verschiedenen Bereichen (folgender Abschnitt), çberlappen sich jedoch sehr stark, was manche Darstellungen in Artikeln und Lehrbçchern unterschlagen oder nicht weiter diskutieren und be-

werten. Entgegen unserem spontanen Gefçhl ist aber diese Ûberlappung keine Unvollkommenheit der Natur; sie ist essentiell fçr unser Vermægen, Farbnuancen zu erkennen und von Helligkeitsdifferenzen zu unterscheiden. Wenn wir im Ûberlappungsbereich die Wellenlånge des Prçflichtes veråndern, wird der eine Rezeptor schweigsamer, der andere gespråchiger. Lassen wir hingegen die Wellenlånge konstant und erhæhen oder senken lediglich die Photonenstromdichte, werden beide Rezeptortypen gleichsinnig verstårkt oder vermindert aktiviert. Auch wenn weiûes Licht in verschiedenen Intensitåten angeboten wird, werden beide Rezeptoren gleichartig reagieren. Fçr das Gehirn gilt: Gleichsinniges Verhalten verschiedener Rezeptortypen bedeutet Ønderung der Helligkeit, gegenlåufiges Verhalten bedeutet Ønderung der Farbe des Lichtes. Wenn dies richtig ist, dçrfte auûerhalb der Ûberlappungsbereiche der Absorptionskurven, also am kurzwelligen und langwelligen Ende des Spektrums, eine eindeutige Unterscheidung zwischen Helligkeit und Farbton nicht mehr mæglich sein. Und so ist es. Wandert man von 650 nm nach 800 nm, wird das gesehene Rot dunkler und dunkler, auch wenn die Photonenstromdichte konstant gehalten wird, und verschwindet schlieûlich im Schwarz. Am kurzwelligen Ende geht Blauviolett ebenfalls in Schwarz çber. Der merkwçrdige Umstand, dass unterhalb von 400 nm zum Blau wieder etwas Rot hinzukommt (Violett), dçrfte darin begrçndet sein, dass die Absorptionskurve des ¹Rotrezeptorsª besonders breit ist und bis 380 nm reicht. 22.3.4 Auf der Ebene der Zapfen gilt die trichromatische Theorie: wir haben drei Zapfentypen; es kommt aber auf das Verhåltnis der Erregungsstårken an Aus psychophysischen Experimenten und aus der Analyse genetisch bedingter Farbfehlsichtigkeiten sind zwei konkurrierende Hypothesen çber die physiologische Basis des Farbensehens abgeleitet

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22 Der Sehsinn

worden (s. Box K 22.2). Auf der Ebene der Rezeptoren hat die von Physikern und Ørzten (Thomas Young) angefçhrte Fraktion Recht behalten, die von der Existenz dreier Rezeptortypen ausging. Nach dieser Theorie, die in jedem Schulbuch steht, haben wir l

Blaurezeptoren oder Kurzwellen-Sensoren (KW, SR = Short-range), Absorptionsmaximum bei 420 nm;

l

Grçnrezeptoren oder Mittelwellen-Sensoren (MW, MR = Medium-range), Absorptionsmaximum bei 535 nm;

l

Rotrezeptoren oder Langwellen-Sensoren (LW, LR = Long-range), Absorptionsmaximum bei 565 nm.

Sieht man sich die Absorptionskurven genauer an (Abb. 22.12), so sieht man freilich, dass das Absorptionsmaximum des ¹Blau-Rezeptorsª im Blauviolett, des ¹Grçnrezeptorsª im Blaugrçn, das Maximum des ¹Rotrezeptorsª im Gelb oder gar Gelbgrçn liegt. Mçssen wir die Lehrmeinung korrigieren? Gewiss wåre es korrekter, wçrde man statt von Blau-, Grçn- und Rot-Zapfen von Kurz-, Mittel- oder Langwellen-Zapfen sprechen. Andererseits kommt es gar nicht darauf an, wo exakt das Absorptionsmaximum liegt. Wenn wir monochromatisches Licht der Wellenlånge 660 nm wåhlen, das uns rot erscheint, wird jedenfalls der LW-Sensor mit hæherer Effizienz Photone einfangen als der MW-Sensor. Bei Licht der Wellenlånge 520 nm, das uns grçn erscheint, hat umgekehrt der MW-Sensor im Vergleich zum LW(und KW-)Sensor die hæhere Effizienz. Werden LW- und MW-Sensor gleich stark aktiviert, sehen wir Gelb. Ist auch noch der KW-Empfånger mit gleich lauter Stimme im Chor, sehen wir Weiû.

!

Merksatz: Die reinen Urfarben blau, grçn, (gelb) und rot werden nicht dort gesehen, wo die Absorptionsmaxima der Sehfarbstoffe liegen, sondern dort, wo die Quotienten der Absorption ein Optimum zugunsten des einen oder anderen Photorezeptors haben. Es kommt auf die Verhåltnisse an, mit der die verschiedenen Zapfen erregt werden. Diese Verhåltnisse kænnen erst von den nachgeordneten neuronalen Instanzen ermittelt werden.

Einfache Modelle des Farbensehens bilden denn auch Quotienten (Abb. 22.13).

22.3.5 Entscheidend ist die Kleinfamilie der Opsingene; die genetische Basis der Rot-Grçnund Blau-Gelb-Fehlsichtigkeiten ist aufgeklårt Obzwar im Rhodopsin das Retinal fçr das Einsammeln der Photone zuståndig ist, ist die Proteinkomponente, also das Opsin, nicht bedeutungslos. Es bestimmt, welche Långenwellen das Retinal bevorzugt absorbieren kann. Heute kennt man die Opsingene. Das Gen fçr das Blaupigment liegt beim Menschen auf Chromosom 7, die Gene fçr die Rot- und Grçnpigmente liegen auf dem X-Chromosom. Dies war auch erwartet worden; denn die klassische Humangenetik hat schon immer die Rot-Blindheit und Grçn-Blindheit dem X-Chromosom zugeordnet. Schlieûlich zeigt dieser genetische Defekt den klassischen X-chromosomengekoppelten Erbgang. Ist das Gen fçr das Rot-Opsin oder das Gen fçr das Grçn-Opsin auf dem X-Chromosom defekt, sind Månner mit RotGrçn-Blindheit behaftet. Sie haben Probleme, das Ampellicht korrekt zu interpretieren (falls sie vergessen haben, welche Lampe des Trios oben angeordnet ist). Ca. 8% der Månner haben solche Defekte. Frauen sind rot-grçn-blind nur, wenn sie sowohl von ihrem Vater als auch ihrer Mutter ein X-Chromosom mit defektem Rot-Gen oder Grçn-Gen geerbt haben (ca. 1% der Frauen).

22.3 Farbensehen und erste Verarbeitung optischer Information in der Retina

Abb. 22.13. Farbenanalyse. Schema der Datenverarbeitung. Das Schema låsst offen, auf welcher Stufe der Datenverarbeitung (Retina, seitlicher Kniehæcker, primåre Sehrinde) die wechselseitigen Hemmungen erfolgen. Spåtestens in der Sehrinde kommen spezifisch reagierende Gegenfarbenneurone

zum Vorschein, doch sind antagonistisch reagierende BlauGelb-Neurone auch in der Retina entdeckt worden. Im RotGrçn-System reagieren die Neurone der Retina noch wenig differenziert nach dem Schema Rot versus Rest, Grçn versus Rest

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22 Der Sehsinn l

Ausfall des Rot-Gens fçhrt zu Prot-Anopie (Rotblindheit; Rot wird je nach seiner Helligkeit mit Grau oder Schwarz verwechselt).

l

Ausfall des Grçn-Gens fçhrt zu Deuter-Anopie (Grçn wird wie långere Wellenlången oder wie Grau gesehen).

l

Ausfall des Blau-Gens fçhrt zur Trit-Anopie. Blau wird mit Grau oder Schwarz verwechselt. Es gibt weitere Formen der Sehschwåchen, die z. B. auf verånderte Absorptionsspektren der Pigmente zurçckzufçhren sind. Es war nicht die zur Molekulargenetik weiterentwickelte klassische Genetik, die zur definitiven Identifizierung der Gene fçhrte, sondern der Umstand, dass alle Pigmente eine weitgehend çbereinstimmende Opsin-Komponente enthalten. Die Aminosåuresequenzen der verschiedenen Opsine stimmen zu 40 bis 98% miteinander çberein, ob es sich um das Blau-, Grçn- oder Rot-Opsin handelt und ob ein menschliches oder tierisches Opsin sequenziert wird. Biochemiker hatten vom Rind ein Rhodopsin isoliert und seine Aminosåuresequenz teilweise entschlçsselt. Nun kam die Molekularbiologie zum Zuge. Nach dem Prinzip der molekularen Hybridisierung konnte mit kçnstlichen, radioaktiv markierten OligonukleotidSonden (bei reduzierter Stringenz) in cDNA- oder genomischen Banken nach çbereinstimmenden Sequenzen gesucht werden. In der menschlichen DNA fand man vier Bereiche mit weitgehender Sequenzidentitåt. Das Gen fçr das Ståbchen-Rhodopsin und die drei Gene fçr die drei Zapfen-Opsine gehen evolutionsgeschichtlich auf ein gemeinsames Ur-Gen zurçck. Zuletzt ist wohl nach einer Genduplikation die Aufspaltung des Rot- und Grçn-Farbgens erfolgt; sie sind noch sehr åhnlich und kartieren beide hintereinander auf dem X-Chromosom.

22.3.6 Farbensehen bei Tieren: Es gibt auûer Drei-Komponenten-Systemen auch Zwei- und Vier-Komponenten-Systeme Angaben çber Farbensehen bei Tieren, und mehr noch Angaben çber mangelndes Farbensehen, sind mit viel Unsicherheit behaftet. Als farbenblind galten lange Ratten, Kaninchen, Katzen und Hunde. Hatte man aber die richtige Untersuchungsmethode gewåhlt? Zieht man die Absorptionsspektren der Zapfen zu Rate, sind die meisten Såugetiere Dichromaten; sie haben ne-

ben Ståbchen einen Zapfentyp fçr den kurzwelligen Bereich (,blau`) und einen fçr den langwelligen (,orange, rot`). Demnach sollten, von einigen ausgesprochen nachtaktiven monochromaten Tieren abgesehen, Såugetiere ein gewisses Farbunterscheidungsvermægen haben. Farbe dçrfte jedoch in ihrem Leben einen geringeren Stellenwert haben als bei Trichromaten. Mit drei Zapfentypen ausgestattet sind auûer dem Menschen seine nahen Verwandten, die Altweltaffen (Schimpansen, Bonobos, Gorillas). Farbensehen hilft im allgegenwårtigen Grçn des Urwaldes reife Frçchte (gelb, rot, blau) ausfindig zu machen. Von der Natur am besten ausgestattet sind indes die Vægel. Von ausgesprochenen Nachtvægeln abgesehen, sind sie Tetrachromaten: sie haben zusåtzlich noch UV-Zapfen. Øhnlich wie Bienen, kænnen sie auf Blçten und Frçchten Markierungen und Muster erkennen, die unserem Auge entgehen (aber çber UV-empfindliche Filme entdeckt werden kænnen). Seltsamerweise sind auch viele Fische Tetrachromaten.

22.4 Datenverarbeitung in der Retina 22.4.1 Auf der Ebene der ersten Datenverarbeitung, die schon in der Retina erfolgt, kommt das Gegenfarbensystem zur Geltung Die Drei-Rezeptoren-Theorie konnte nie befriedigend das Phånomen der Komplementårfarben und das Phånomen des Simultankontrastes erklåren. Elektrophysiologen haben die Sachlage in den Grundzçgen geklårt und dem Einzelgånger Hering ebenfalls zu seinem Recht verholfen, wenn auch nicht auf der Ebene der Rezeptoren, sondern der nachgeschalteten Nervenzellen. Bereits in der Netzhaut finden wir mehrlagige Schichten von Nervenzellen, die eine erste Datenverarbeitung vornehmen (s. Abb. 22.5 c). Der Einfachheit halber beschrånken wir uns darauf, die Meldungen zu messen, die von den Nervenzellen der letzten Retinaschicht (Ganglienzellen) codiert

22.4 Datenverarbeitung in der Retina

und in Form frequenzmodulierter Aktionspotentiale çber den Sehnerven ins Gehirn gesendet werden. Diese letzten Nervenzellen heiûen Ganglienzellen. Jede Ganglienzelle nimmt Information von (mindestens) zwei Zapfentypen entgegen. Sie erhålt diese Information (çber Zwischenstufen) von den Zapfen eines kleinen Areals der Netzhaut, das dieser Ganglienzelle zugeordnet ist (Abb. 22.13). Eine Ganglienzelle ist also die Postsammelstation eines kleinen Netzhautbezirks. Dieser Bezirk heiût rezeptives Feld dieser Ganglienzelle. In der Fovea centralis steht im Zentrum eines rezeptiven Feldes nur jeweils ein einzelner Zapfen; dieser ist umgeben von einigen wenigen Umfeldzapfen (surround cones), die eine andere Farbspezifitåt haben. Auûerhalb der Fovea sind mehrere Zapfen zum Zentrum eines rezeptiven Feldes gebçndelt; eine funktionelle Gliederung Zentrum versus Umfeld ist aber auch in der Peripherie des Auges gegeben. Dieser Schluss wird durch die Reaktion der Ganglienzellen nahegelegt. Eine Ganglienzelle hat eine spontane Grundfrequenz, mit der sie auch im Dunkeln feuert. Sie kann diese Frequenz modulieren. Nun findet man vier funktionale Typen: l

Typ 1 erhæht seine Frequenz bei Rot, senkt sie bei Grçn;

l

Typ 2 erhæht seine Frequenz bei Grçn, senkt sie bei Rot;

l

Typ 3 erhæht seine Frequenz bei Gelb, senkt sie bei Blau;

l

Typ 4 erhæht seine Frequenz bei Blau, senkt sie bei Gelb.

Es muss nun aber korrekterweise betont werden, dass eine solch klare Typisierung nur in der didaktischen Pråsentation eines Lehrbuches, nicht aber bei aktuellen Messungen an Zellen herauskommt. Die Zahl von Typen erhæht sich, wenn durch zwei sehr kleine Lichtkegel Zentrum und periphere Zone (surround) des Feldes mal gleich, mal verschieden belichtet werden. Nur wenn der Elektrophysiologe die Sehbahn weiter hinauf ins

Gehirn verfolgt, findet er schlieûlich in der primåren Sehrinde (Cortex striatum beim Såuger) Neurone, die antagonistisch ausschlieûlich auf Gegenfarben reagieren, und nicht auch auf wechselnde Helligkeiten ansprechen. Er findet dann auch Neurone, die spezifisch und antagonistisch auf Schwarz oder Weiû reagieren. Wo immer das antagonistische Gegenfarbenprinzip klar zutage tritt, es liefert die Erklårung fçr den Simultankontrast im Farben- und im Schwarz-Weiû-Sehen. Ein åhnliches ± wenn nicht dasselbe ± antagonistisch arbeitendes System der Datenverarbeitung ist bei der Auswertung der råumlichen Bilddaten am Werk. 22.4.2 Rezeptive Felder, On- und Off-Neurone bereiten auch das Formensehen vor; die laterale Inhibition ist ein bewåhrtes Prinzip einer ersten Datenverarbeitung Es hat gute Grçnde, wenn Lehrbçcher Formenund Farbensehen getrennt behandeln. Schlieûlich kann auch eine Person, die nur Ståbchen hat, zwar keine Farben, aber Formen unterscheiden, und der Normalsichtige kann es auch, wenn er beispielsweise nur ein Schwarzweiû-Fernsehgeråt vor Augen hat. Andererseits sind es beim Normalsichtigen nicht bloû die Ståbchen, sondern die Farbrezeptoren, die tagsçber auch das Formensehen vermitteln. Die Prinzipien der Datenverarbeitung in der Retina sind beim Formen- und Farbensehen weitgehend die gleichen. Auch beim Formensehen (Mustersehen) kommen die rezeptiven Felder zur Geltung. Unter jedem Zapfen der Fovea centralis stehen (mindestens) zwei bipolare Nervenzellen, die bei punktfærmiger Belichtung des Zentrums oder seines Umfeldes antagonistisch reagieren. Beide Bipolaren zeigen amplitudenmodulierte Rezeptorpotentiale (und noch keine frequenzmodulierten Aktionspotentiale; diese tauchen dann bei den nachgeschalteten Ganglienzellen auf). Wird das Zentrum eines rezeptiven Feldes belichtet, senkt die On-Bipolare ihr Rezeptorpotential, die Off-Bipolare hebt es an. Die nachgeordneten Ganglienzel-

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22 Der Sehsinn Rezeptives Feld, im Zentrum beleuchtet

Abb. 22.14. Rezeptive Felder in der Wirbeltierretina und Transformation von der Amplitudenmodulation in Frequenzmodulation in der Neuronenschicht der Retina. Beachte das

antagonistische Verhalten der Bipolaren: On-Bipolare versus Off-Bipolare, und Beleuchtung des Zentrums versus Beleuchtung der Peripherie

Abb. 22.15. Laterale Inhibition, der Einfachheit halber fçr eine eindimensionale Reihe von Rezeptoren erlåutert

22.5 Die Welt mit anderen Augen sehen: das Insektenauge

22.5 Die Welt mit anderen Augen sehen: das Insektenauge Auch der Nichtzoologe kann fasziniert sein von den vielfåltigen technischen Læsungen, die der Natur bei der Konstruktion von Sinnesorganen eingefallen sind, und vom Leistungsvermægen solcher Organe. Dies gilt beispielsweise fçr den Sehsinn einer Biene. Abb. 22.16. Kontrastverschårfung durch laterale Inhibition. Im Hermann'schen Gitter (oben) erscheinen die Kreuzungsstellen nicht so hell wie die schwarzgesåumten Straûen. Ein grauer Kreis erscheint auf schwarzem Untergrund heller (und kleiner) als auf hellem Untergrund

len melden ins Gehirn: ¹Licht anª bzw. ¹Licht ausª (Abb. 22.14). Belichtung der Peripherie des Feldes evoziert gegenteilige Reaktionen. Dies gilt entsprechend fçr Reaktionen auf Rot- oder Grçnbelichtung bzw. Blau- oder Gelbbelichtung (falls der Elektrophysiologe gerade ein Neuron aus der Klasse der ¹konzentrischen Gegenfarbzellenª erwischt hat). Wenn Belichtung des Zentrums eine positive Wirkung hat, dann hat die Belichtung der Peripherie eine negative Wirkung. Und umgekehrt. Man spricht von lateraler Inhibition. Wie Abb. 22.15 deutlich zu machen versucht, dient laterale Inhibition der Kontrastverschårfung. Dies gilt fçr Farbkontraste ebenso wie fçr Schwarz-Weiû-Kontraste. Grau erscheint auf hellem Untergrund dunkler als auf schwarzem. Im Hermann-Gitter erscheinen die (nicht von dunklen Nachbarflåchen gesåumten) Kreuzungsstellen der Straûen dunkler als die Straûenabschnitte zwischen zwei dunklen Feldern (Abb. 22.16). Das Verarbeitungsprinzip der lateralen Inhibition wird nicht nur im Wirbeltierauge angewandt. Es ist am Arthropodenauge (Pfeilschwanzkrebs Limulus) entdeckt worden. Das Auge der Arthropoden, z. B. der Insekten, ist so interessant, dass wir ihm einen eigenen Abschnitt widmen.

22.5.1 Hinsichtlich des Formensehens mçssten wir radikal umdenken: Die Form muss aus Bewegungsmustern erschlossen werden Wenn eine ruhende Biene mit ihren 2 ´ 5600 Miniåuglein (Ommatidien) in die Umwelt blickt (Abb. 22.17 u. 22.18), kænnte sie allenfalls ein grobes Raster von Helligkeitspunkten oder Farbtupfern sehen. Es gibt Hinweise darauf, dass das ruhende Insekt in der ruhenden Umwelt gar nichts sieht. Der Sehnerv ist bei konstantem Umfeld nahezu stumm, und das Tierchen reagiert nur auf bewegte Objekte. Wenn ein Objekt sich jedoch bewegt, feuern die Nervenfasern mit hohen Frequenzen. Optokinetische Reaktion als Indikator fçr Bewegungssehen. Man kann ein Insekt in eine Arena setzen und eine Wand mit senkrechten SchwarzWeiû-Streifen langsam um diese Arena rotieren lassen (Abb. 22.19). Das Insekt versucht, durch Drehen seines Kærpers seine optische Umwelt konstant zu halten und das Streifenmuster auf seinem Auge zu fixieren. Freilich ist das Insekt am Stab eines Torsionsmeters fixiert, sodass es sich nicht mit der Arenawand drehen kann und die Streifen an seinen Augen vorçberziehen. Gleichzeitig registriert der Elektrophysiologe vom Kopf des Insektes das Elektroretinogramm (ERG). Das ERG ist ein Summenpotential åhnlich dem EKG (s. Kap. 16). Ein ERG ist jedoch nur zu registrieren, wenn das Auge eine Bewegung wahrnimmt. Ob man die Wendereaktion des Insekts mit dem Torsionsmeter registriert oder ob man das ERG mit einem Voltschreiber aufzeichnet,

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man kommt zur gleichen Erkenntnis: Das miserable råumliche Auflæsungsvermægen wird wettgemacht durch ein exzellentes zeitliches Auflæsungsvermægen. Wenn Schwarz-Weiû-Streifen am Auge vorbeiziehen, flackert das ERG auf und ab. Es verschmilzt erst zu einem Kontinuum, wenn die Streifen mit einer Geschwindigkeit vorbeihuschen, bei der wir långst keine Streifen mehr unterscheiden kænnen, sondern nur noch eine æde graue Flåche sehen. Im Kino wçrde eine Biene noch Einzelbilder sehen, wenn bei uns die Bildfolgen schon långst zu kontinuierlichen Bewegungen verschmelzen. Erst bei hohen Bildfrequenzen verschmilzt auch beim Insekt das rhythmische ERG zu einem Kontinuum. Ein rotieren-

des Schwarz-Weiû-Streifenmuster læst dann wie eine einheitlich graue Wand keine optokinetische Wendereaktion mehr aus. Formensehen. Insekten werten zentralnervæs Hell-Dunkel- und Farbkontraste aus, die çbers Auge huschen. Die Form wird aus der Bewegung von Konturen rekonstruiert. Was Insekten sehen, wissen wir nicht. Jedenfalls hat die Biene nicht selten Probleme, im Wahlversuch beim Anflug zwei Formen zu unterscheiden, die fçr uns sehr verschieden aussehen. Manche Formen hingegen, die uns eher åhnlich vorkommen, lernt sie recht gut im Anflug zu unterscheiden.

Abb. 22.17. Komplexauge (Facettenauge) eines Insekts. Im herausgegriffenen Ommatidium (Långsschnitt) ist der Lichtleitereffekt dargestellt, durch den Randstrahlen wiederholt durch das zentrale Rhabdom gelenkt werden. Im Querschnitt eines Ommatidiums ist die Anordnung der Retinulazellen (Photorezeptoren) bei der Biene dargestellt. Die Rhabdomere (Mikrovillibçndel) der acht Photorezeptoren bilden das rechteckige Rhabdom. Der neunte Photorezeptor ist in der gezeigten Schnittebene nicht zu sehen. Die Zuordnung der Farbpråferenzen ist nicht in allen Ommatidien gleich

22.5 Die Welt mit anderen Augen sehen: das Insektenauge

Abb. 22.19. Optokinetische Reaktion in der sich drehenden Streifentrommel. Durch Drehen des Kærpers versucht das Insekt, seine optische Umwelt konstant zu halten

22.5.2 Beim Farbensehen gibt es neben Unterschieden auch verblçffende Ûbereinstimmungen: Farbenkreis und Komplementårfarben zum Beispiel

Abb. 22.18. Typen von Komplexaugen. Im Superpositionsauge wird bei schlechten Lichtverhåltnissen durch Hochziehen der Pigmentschirme (Jalousien) Licht, das durch mehrere Linsen einfållt, auf ein einzelnes Rhabdom zentriert. Das DrosophilaAuge ist ein neurales Superpositionsauge, bei dem die Retinulazellen benachbarter Ommatidien nerval zusammengefasst sind, was ebenfalls der Empfindlichkeitssteigerung dient. Die Retinulazellen 7 und 8 erstrecken sich nicht çber die gesamte Långe

Wie kann man çberhaupt herausfinden, ob eine Biene Farben unterscheiden kann? Der Elektrophysiologe geht mit seinen Geråtschaften zu Werk und sieht, ob verschiedene Farblichter verschiedene Antworten hervorrufen. Er beståtigt, was ihm der Verhaltensforscher schon vorher prophezeit hatte: Die Biene reagiert nicht auf Rot, aber auf Grçn, Blau und UV. Der Verhaltensforscher (in Gestalt des erfinderischen Karl von Frisch) geht subtiler zu Werk.

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Sein klassischer Versuch ist der Dressurversuch, der aussagt, ob und wann ein Tier seine potentiellen Fåhigkeiten auch nutzt. Auf einem Tisch sind farbige Kartons ausgelegt (Abb. 22.20). Auf ihnen stehen Glasschålchen, die fades Leitungswasser enthalten. Nur eines enthålt das begehrte Zuckerwasser. Es steht auf dem blauen Karton. Die Position des Zuckerschålchens mitsamt dem darunter liegenden Karton wird immer wieder gewechselt, sodass die Tierchen sich beim Anflug nur nach der Farbe des Kartons orientieren kænnen. Haben die Bienen ihre Aufgabe perfekt gelernt, kommt die Prçf- oder Kontrollphase. Es kænnte ja sein, dass der blaue Karton nur wegen seines Helligkeitswertes angesteuert wird. Im Umfeld des blauen Kartons sind Kartons mit verschiedenen Graustufen ausgelegt (und auf ihnen kænnen nun sogar Schålchen mit Zuckerwasser stehen). Die Biene verwechselt nie Blau mit einem Grau, wohl aber verwechselt sie Rot mit einer dunklen Graustufe.

Wenn Bienen in der Natur rote Blumen anfliegen, kann man recht sicher sein, dass solche Blumen auch UV-Marken tragen, die fçr unser Auge unsichtbar sind aber mit einem UV-sensitiven Film sichtbar gemacht werden kænnen. Verblçffend ist nun aber, dass auch fçr die Biene die Mischung von Licht vom kurzwelligen und langwelligen Ende des Spektrums einen Farbton ergibt, den sie von allen anderen Farben und von Grauwerten unterscheidet und der nicht von einer Solowellenlånge hervorgerufen werden kann: Die Mischung aus UV und Orange ergibt ¹Bienenpurpurª. Auch ihre Farbtæne schlieûen sich zum Farbenkreis (Abb. 22.20). Blaugrçn, erzeugt von monochromatischem Licht der Wellenlånge 480 nm unterscheidet sie nicht vom Mischlicht aus 450 und 510 nm. Auch gibt es ¹Bienenweiûª, das nach gleichen Grundregeln, wie sie fçr unser Auge gelten, erzeugt werden kann, wenn auch mit anderen, der Biene gemåûen Wellenlången. Man kann mit drei Lichtern verschiedener Wellenlånge eine Flåche beleuchten und die Biene testen, ob sie die Flåche von einer weiûen Flåche, die alles Licht reflektiert, unterscheiden kann. Werden durch die drei Lichter alle drei Farbsensoren des Bienenauges in einem bestimmten Verhåltnis stimuliert (15% UV + 30% Blau + 55% Grçn) wird die Biene diese Flå-

Abb. 22.20. Farbensehen der Biene. Oben ist der klassische Dressurversuch angedeutet, in dem die Biene ein bestimmtes, farblich gekennzeichnetes Futterschålchen ansteuern soll. Unten ist der Farbenkreis fçr die Biene dargestellt

che als weiû werten (fçr uns såhe sie nicht weiû, sondern farbig aus, weil unsere Farbsensoren andere Arbeitsbereiche haben). Erstaunlicher ist, dass es fçr die Biene auch Gegenfarbenpaare gibt. Mischlicht aus Farben, die im Kreis einander diametral gegençber liegen, Blau + Bienenpurpur und UV + Blaugrçn, addieren sich jeweils zu Bienenweiû. Auch die Subtraktionsregeln gelten entsprechend. Was Wunder, wenn bei dieser Ûbereinstimmung im Wahrnehmungssystem im Bienenauge drei Rezeptortypen gefunden werden: UV-, Blauund Grçnrezeptoren. Farbenkreis und Gegenfarbenpaare sind wie beim Wirbeltier Ergebnis nachgeschalteter neuraler Verrechnung.

22.5 Die Welt mit anderen Augen sehen: das Insektenauge

BOX K 22.3

Polarisiertes Licht Licht als elektromagnetischer Wellenzug låsst sich in zwei senkrecht zueinander schwingende Felder zerlegen, in das elektrische Feld (E-Vektor) und in das magnetische Feld (M- oder B-Vektor). Um eine modellmåûige Vorstellung zu gewinnen, kann man sich entlang eines Lichtstrahls zwei Wellenzçge denken, die im rechten Winkel zueinander stehen (Abb. 22.21). Das natçrliche Licht besteht aus vielen Wellenzçgen, die unabhångig voneinander entstanden sind (inkohårentes Licht). Die Schwingungsrichtungen in diesen Wellenzçgen sind nicht koordiniert und daher regellos von Wellenzug zu Wellenzug wechselnd. Wird die Amplitude des E-Feldes in einer Raumrichtung unterdrçckt, erhålt man partiell oder vollståndig polarisiertes Licht. In allen Photonen sind dann die Schwingungsrichtungen gleich. Das kann passieren, wenn Licht an einer spiegelnden Flåche reflektiert wird, beispielsweise auf einer Wasseroberflåche (eine vollståndige Polarisierung tritt nur beim Einfall unter einem bestimmten Winkel auf). Eine partielle Polarisierung geschieht aber auch am blauen Himmelszelt dank der Reflexion und Streuung an Luftmolekçlen und feinsten Partikeln (Tyndall-Effekt).

Das fçr den Laien Unerwartete ist nun, dass sich am Himmelszelt ein makroskopisches Muster der vorherrschenden Polarisationsrichtungen einstellt (s. Abb. 22.22). Dieses Muster ist abhångig vom Sonnenstand. Man kann das Phånomen mit dem Regenbogen vergleichen. Obwohl sich im Regenvorhang die Brechung des Sonnenlichts in kleinen Wassertræpfchen vollzieht, sieht man einen riesigen Regenbogen çber den ganzen Himmel gespannt. Und der Regenbogen verråt den Sonnenstand. Blickt man geradeaus auf den Regenbogen, hat man die Sonne garantiert im Rçcken. Um den Regenbogen zu sehen, muss man Farben sehen kænnen, also Photorezeptoren haben, die bevorzugt Photonen eines bestimmten Frequenzbereichs absorbieren. Um das Polarisationsmuster am Himmel zu sehen, kann man Polarisationsfolien in verschiedenen Richtungen vor das Auge halten, die je nach der Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes unterschiedlich viel Licht absorbieren oder hindurch lassen (wir sehen dann Helligkeitsmuster). Oder man baut, wie die Insekten, solche Analysatoren ins Auge ein. Polarisationsfolien sind im Insektenauge aus rhodopsinbestçckten Membranen hergestellt.

22.5.3 Bienen und Ameisen sehen am blauen Himmel ein Polarisationsmuster; sie kænnen daraus die Himmelsrichtungen ablesen

und diese Fåhigkeit ergånzt ihren Sonnenkompass. Das Polarisationsmuster am Himmel ist ein Muster, das sich ergibt, wenn das Sonnenlicht an den Luftmolekçlen der Erdatmosphåre gestreut wird (Box K 22.3). Am stårksten gestreut wird Licht kurzer Wellenlånge, weshalb uns der Himmel blau erscheint. Folglich tragen UV/Blau am stårksten zu diesem Muster bei. Die Wahrnehmung dieses Musters, kurz Polarisationssehen genannt, ermæglicht es der Biene (und anderen Arthropoden), die Himmelsrichtungen und den momentanen Sonnenstand ausfindig zu machen, auch wenn die Sonne hinter Wolken versteckt ist.

Es war eine der bewundernswerten Leistungen des Altmeisters Karl von Frisch (1886±1982), bemerkt und nachgewiesen zu haben, dass Bienen Sinnesfunktionen besitzen, die uns fremd sind und an die deshalb zunåchst niemand denkt. Bienen haben einen Magnetkompass (s. Kap. 21); Bienen haben einen Sonnenkompass (s. Kap. 25); Bienen haben die Fåhigkeit, das Polarisationsmuster des Lichtes am Himmel wahrzunehmen,

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gespeichert. Das ist aber wohl nicht so. Wo die Karte deponiert ist, verråt der folgende Abschnitt. 22.5.4 Bienen und Ameisen haben in ihrem Auge eine Himmelskarte, die sie mit dem gesehenen Muster am Himmel vergleichen

Abb. 22.21. Polarisiertes Licht. Schematisch dargestellt sind zwei Photone, eines, dessen E-Vektor linear polarisiert ist (oben) und eines mit zirkularer Polarisation. Fçr das Arthropodenauge ist das linear polarisierte Licht, das richtungsabhångig mit einem Analysator aufgefangen und absorbiert werden kann, von Bedeutung. Zirkular polarisiertes Licht mit kreisender Schwingungsrichtung (unten) vermittelt wie regellos orientiertes Licht nur Information çber Helligkeit und Farbe, aber keine Information çber die Himmelsrichtungen

Ein Fleck blauen Himmels sollte allerdings sichtbar sein. Bei total wolkenverhangenem Himmel fliegen Bienen hæchst ungern, trotz des Magnetkompasses, der ihnen fçr eine grobe Orientierung noch bleibt. Wenn ein Ausschnitt des Polarisationsmusters (Abb. 22.22) an einem blauen Himmelsfleck zur Orientierung gençgt, besagt dies, dass die Biene Kenntnis des Gesamtmusters haben muss und in der Lage ist, das gesehene Puzzle in das irgendwie gespeicherte Gesamtbild einzuordnen. Sie muss eine interne Himmelskarte besitzen, die es ihr ermæglicht, nicht nur den momentanen Sonnenstand zu orten, sondern auch die Himmelsrichtungen richtig zu interpretieren. Es lag nahe anzunehmen, diese Himmelskarte sei im Gedåchtnis

Wenn Insekten neben Helligkeit und Farbe einen dritten Parameter des Lichtes auswerten und dem Gehirn mitteilen wollen, mçssen sie besondere Rezeptoren abstellen, die sich auf das Polarisationssehen spezialisieren. Als Analysator fçr die Schwingungsrichtung des Lichtes eignen sich Photorezeptoren, deren Mikrovilli çber die ganze Långe des Rhabdoms exakt parallel ausgerichtet sind. In groûen Bereichen des Insektenauges ist diese Vorbedingung nicht erfçllt. Die Sehzellen sind um ihre Långsachse verdrillt (twisted). In einem schmalen Feld entlang der oberen Augenregion, POL-Region oder DRA (dorsal rim area) genannt, sind die Sehzellen aber nicht verdrillt. Alle Mikrovilli einer Retinulazelle sind gerade und alle in die gleiche Richtung ausgerichtet. Weil auch die Rhodopsinmolekçle in den Membranen der Mikrovilli alle gleichartig ausgerichtet sind, gewinnen die Mikrovilli bzw. Rhabdomere (Mikrovilli-Långsreihen) die Eigenschaft eines Analysators. Wie eine Polarisationsfolie absorbieren solche Mikrovilli Licht nur einer bestimmten Schwingungsrichtung mit maximaler Effizienz (s. Abb. 22.21). In einem einzelnen Ommatidium sind die Mikrovilli in zwei Richtungen ausgerichtet, die senkrecht zueinander stehen (s. Abb. 22.17). Wenn die eine Gruppe der Mikrovilli (Rhabdomer) Licht mit maximaler Effizienz einfångt, absorbiert die andere minimal. Das reicht nicht aus, um ein komplexes Muster am Himmel zu erkennen. Nun enthålt das Bienenauge jeder Kærperseite 5600 Ommatidien. Die POL-Region umfasst zwar nur 2,5% davon; doch das sind immerhin 140 Ommatidien, und die haben unterschiedliche Vorzugsrichtungen. Insgesamt sind die dorsalen POL-Felder der Augen also Raster von Analysatoren, welche die e-Vektoren des Himmelslichtes

22.5 Die Welt mit anderen Augen sehen: das Insektenauge

Abb. 22.22. Polarisationsmuster am Himmelszelt. Die Linie der stårksten Polarisation zieht wie ein Regenbogen çber das Himmelsgewælbe

(Abb. 22.22) festzustellen erlauben. Sie bilden zusammen einen Apparat, mit dem sie ihren Sonnenkompass einjustieren kænnen. Rçdiger Wehner fand aufgrund von Verhaltensversuchen (Beispiel: Abb. 22.23), dass bei Bienen und Ameisen die Vorzugsrichtungen aller Ommatidien der POL-Region ein Muster bilden, das (in groben Zçgen) das Polarisationsmuster am Himmelszelt widerspiegelt. Linkes und rechtes Auge sind spiegelbildlich angeordnet, und ebenso ist der Himmel beidseitig des Himmelsmeridians spiegelbildlich gemustert. Wenn sich

die Tierchen drehen bis ihr augeninternes Muster sich mit dem Himmelmuster deckt, wissen sie, dass sie die Sonne im Rçcken haben (Abb. 22.24), ebenso wie wir wissen, dass die Sonne hinter unserem Rçcken steht, wenn wir zum Regenbogen schauen. Einmal mehr wird eine hohe Sinnesleistung dadurch erreicht, dass Rezeptoren mit unterschiedlichen Spezialfunktionen betraut werden und das Gehirn dann die Einzelmeldungen auswertet und zu einem Gesamtbild zusammensetzt. Im Gehirn wird die Hauptarbeit verrichtet. Das kleine

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Gehirn ist unglaublich leistungsfåhig; denn das POL-Muster des Himmels ist nicht ortsfest, sondern wandert mit der Sonne von Sonnenaufgang çber den Zenith bis zum Sonnenuntergang am Himmel. Die Biene hat ein ,Wissen` çber diesen Tagesgang, sie hat eine pråzise innere Uhr und sie hat einen leistungsfåhigen, gut programmierten Computer in ihrem Gehirn. So kann sie berechnen, wo zu jeder Tageszeit Nord und Sçd, Ost und West ist. Sie nutzt dies, um den Weg zu der ergiebigen Blumenwiese (und zurçck zum Stock) zu finden, die sie selbst (z. B.) am Vortag entdeckt hat oder auf die sie eine Kollegin mit ihrem Schwånzeltanz hingewiesen hat (s. Kap. 25.4).

Abb. 22.23. Versuchsanordnung zur Analyse des Polarisationssehens bei der Biene. Die Biene tanzt auf einer horizontalen Wabe, wo sie mit ihrem Schwånzeltanz die Himmelsrichtung zu einer Futterquelle anzeigt. Der direkte Blick zum Himmel wird durch eine Plexiglaskuppel verstellt, die zwar Helligkeit durchlåsst, aber das natçrliche Polarisationsmuster læscht. Ûber Fenster kænnen der Biene Polarisationsmuster nach der Vorstellung des Experimentators angeboten werden

Abb. 22.24. Polarisationsanalyse des Himmelsmusters durch eine Biene. Die Biene hat durch Drehen ihres Kærpers ihren Kompass im dorsalen Augenbereich (POL- oder DRA-Region) in Deckung mit dem Polarisationsmuster am Himmel gebracht

22.5 Die Welt mit anderen Augen sehen: das Insektenauge Tabelle 22.1. Daten zum Sehen Die Retina des menschlichen Auges enthålt l 100±163 Millionen Ståbchen und l 5±6 Millionen Zapfen l 60±70 verschiedene neuronale Zelltypen l 1010 Synapsen, 100 km neuronale Fasern Zapfendichte in der Fovea: 150 000/mm2, Gesamtzahl ca. 450 000 Ståbchen: l 800 Discs mit l 65 000 Rhodopsinmolekçlen/Disc = 30 000/lm2 = >50 ´ 106 pro Ståbchen l tåglich werden 100 Discs/Ståbchen erneuert 1 lichtaktiviertes Rhodopsin l aktiviert bis zu 3000 Transducinmolekçle, l 3000 Transducine aktivieren 3000 PDE-Enzyme, von denen jedes bis zu 3000 cGMP pro Sekunde hydrolysiert Lichtabsorption bewirkt l in den Photorezeptoren der Wirbeltiere eine Hyperpolarisation von ±30 zu ±70 mV, l in den Photorezeptoren der Arthropoden eine Depolarisation Ståbchen: Absorptionsmaximum bei 500 nm (¹blau-grçnª) Zapfen: Absorptionsmaxima bei l 420 nm (¹blauª) l 540 nm (¹grçnª) l 560 (¹gelbgrçnª) Bienen: l Absorptionsmaxima im UV, Blau, Grçn l dazu in der POL-Region des Auges Polarisationszustand des Lichtes (Daten aus Mçller u. Kaupp 1986 und verschiedenen anderen Quellen)

Zusammenfassung des Kapitels 22 Licht, gequantelte elektromagnetische Schwingungen mit Wellenlången im Bereich von 400 bis 800 nm, wird in den Photorezeptoren aller tierischen Lebewesen mittels des Sehfarbstoffes Rhodopsin aufgefangen. Rhodopsin ist ein molekularer Komplex bestehend aus l

Retinal, dem Aldehyd des Vitamins A1 (ein Terpenoid). Retinal ist die chromophore Gruppe des Rhodopsins und fçr das Einfangen der Lichtquanten zuståndig. Es enthålt das hierfçr erforderliche System konjugierter Doppelbindungen. Beim Einfangen eines Lichtquants geht Retinal von der abgewinkelten 11-cis-Form in die gestreckte alltrans-Form çber; und

l

Opsin, einem Membranprotein mit sieben Transmembrandomånen (wie die Duftrezeptoren!). Von Opsin gibt es mehrere genetische Varianten (Isoformen); sie bestimmen, in welchem Wellenlångenbereich Rhodopsin maximal Lichtquanten absorbiert.

Rhodopsin ist in hoher Dichte in Membranen eingebaut, in den Ståbchen des Wirbeltierauges in Membranstapeln im Inneren des Auûensegments (einem stark modifizierten Cilium), in den Zapfen in Falten der åuûeren Membran des Auûensegments, in den Photorezeptoren der Arthropoden im seitlichen Mikrovillisaum (Rhabdomer). In den Photorezeptoren der Wirbeltiere hat lichtaktiviertes Rhodopsin die Funktion eines Schalters, der die Kaskade der photoelektrischen Transduktion startet: Ûber ein G-Protein mit Namen Transducin wird in

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Millisekunden ein Enzym PDE aktiviert, das den second messenger cGMP hydrolysiert. Ein lichtaktiviertes Rhodopsin kann die Hydrolyse von 1 Million cGMP auslæsen. Dieses cGMP hatte im Dunkeln Na+-Kanåle offengehalten, die einen beståndigen Na+-Einstrom in die Zelle ermæglichten, aus der das Na+ mittels der Na+/K+-ATPase wieder herausbefærdert wurde. Entfernen des cGMP durch Hydrolyse schlieût die Kanåle, der Na+-Dunkelstrom wird unterbrochen, die Zelle erfåhrt eine Hyperpolarisation und gibt vermindert den Transmitter Glutamat frei. Sehzellen der Arthropoden depolarisieren stattdessen. Zwei Augentypen dominieren im Tierreich: l

l

Das Facettenauge (Komplexauge): Hier blicken viele Miniåuglein (Ommatidien) getrennt in verschiedene Himmelsrichtungen. Jedes Miniauge misst wie ein Belichtungsmesser integrierend die Helligkeit eines kleinen Ausschnittes der Umwelt. Die geringe råumliche Auflæsung wird durch eine hohe zeitliche Auflæsung kompensiert. Das Kameraauge, bei dem die Lichtstrahlen auf eine Retina projiziert werden, die in die Tiefe einer Kærperhæhle verlagert ist. Beim bildentwerfenden Linsenkameraauge ist eine Entfernungseinstellung (Akkommodation) nætig, um die Bildebene in der Ebene der Photorezeptoren zu halten.

Optokinetische Reaktionen des Kopfes oder des Auges halten die Bilder zur Auswertung ausreichend lang im Feld der Photorezeptoren fest. Hell-Dunkel-Hellsehen: Das Auge des Menschen erfasst einen Intensitåtsbereich (Quantenstromdichten) von 109 Græûenordnungen. Auûer (1) physikalischer Adaptation durch die Pupille und (2) durch den einstellbaren Rhodopsingehalt der Photorezeptoren ist fçr die Helligkeitsadaptation (3) der funktionelle

Wechsel des Photorezeptortyps maûgeblich. Die Retina des Menschen enthålt >100 Millionen Ståbchen als Schwachlichtrezeptoren und 5-6 Millionen Zapfen als Starklichtrezeptoren. (4) Die Meldungen der Photorezeptoren werden verarbeitet von bipolaren Neuronen der Retina, die sich in On- und Off-Neurone untergliedern, und schlieûlich durch Ganglienzellen gesammelt, welche die Meldungen integrieren und çber den Sehnerv in die primåren Sehzentren des Gehirns schicken. Alle Photorezeptoren, deren Meldungen von einem bestimmten Neuron integriert werden, bilden zusammen das rezeptive Feld dieses Neurons (Weiteres hierzu s. unten). Eine Ganglienzelle kann die Meldungen von Hunderten von Ståbchen sammeln; dies ermæglicht Sehen auch bei sehr schwachem Licht, wenn auch mit geringer Auflæsung. Farbensehen: Da alle Ståbchen dasselbe Rhodopsin enthalten, ermæglichen sie nur HellDunkel-Unterscheidung in Grautænen, aber kein Farbensehen. Als Trichromat besitzt der Mensch jedoch drei weitere Gene, welche die Zapfen mit jeweils einer von drei Opsin-Isoformen ausstatten. Die drei Zapfensorten absorbieren maximal im Blau (420 nm), Grçn (540 nm) und Grçngelb (560 nm). Fçr den gesehenen Farbeindruck ist jedoch nicht die Position der Maxima entscheidend, sondern das Verhåltnis, in dem die drei Zapfensorten Lichtquanten aufnehmen. Diese Verhåltnisse werden bereits durch viele Millionen Neurone der Retina ausgewertet. Die Zapfen der Fovea centralis, dem Ort des schårfsten Sehens, sind mit nur wenigen benachbarten Zapfen zu kleinen rezeptiven Feldern verschaltet. Diese Verschaltung ist Grundlage dafçr, dass die lineare physikalische Wellenlångenskala in der Sehwelt von Blau çber Violett zu Rot zum Farbkreis geschlossen wird und die Rot-Grçn- und BlauGelb-Gegenfarbensysteme etabliert werden. Bei der additiven Farbenmischung, welche zur Prçfung der Farbtçchtigkeit eingesetzt

22.5 Die Welt mit anderen Augen sehen: das Insektenauge

und von TV-Monitoren genutzt wird, werden monochromatische Lichtquellen gemischt; dabei ergeben Grçn + Rot = Gelb, und gleichmåûige Reizung aller Zapfen mit hoher Intensitåt erzeugt Weiû. Gegenfarbemsysteme (= Komplementårfarbensysteme) sind von Bedeutung beim subtraktiven Farbensystem, das bei gesehenen Dingen der Alltagswelt von Bedeutung ist. Filtert ein natçrlicher oder bemalter Gegenstand beispielsweise Gelb aus dem Regenbogenspektrum heraus, erscheint das vom Gegenstand reflektierte oder durchgelassene Licht blau. In PC-Grafikprogrammen imitiert man additive Farbmischung im RGB-, subtraktive im CMYK-Modus. Zur Datenverarbeitung in der Retina. Rezeptive Felder sind in Zentrum und Peripherie gegliedert. Reagiert das Sammelneuron mit On, wenn die zentralen Ståbchen belichtet werden, so reagiert es mit Off, wenn die peripheren Photorezeptoren belichtet werden, und umge-

kehrt. In den rezeptiven Feldern der Zapfen kommt das Gegenfarbensystem zur Geltung. Fçhrt Belichtung des Zentrums mit Gelb zur Erregung des Sammelneurons, so Belichtung mit Blau zu seiner Hemmung. Belichtung der peripheren Zapfen eines Feldes hat gegenteilige Effekte. Auch fçr Simultan- und Sukzessivkontrast ist das neuronale Gegenfarbensystem zuståndig. Die weitere Verarbeitung visueller Daten erfolgt im primåren Sehzentrum (Kap. 23). Bienen und Polarisationssehen. Die Ommatidien der Bienen haben ein vergleichbares Farbwahrnehmungssystem wie die Wirbeltiere mit UV, Blau- und Grçnrezeptoren in jedem Ommatidium. Spezielle Ommatidien in der dorsalen POL-Region der Augen kænnen darçber hinaus den Polarisationszustand des Lichtes analysieren. Das Polarisationsmuster des Himmels gibt Auskunft çber Sonnenstand und Himmelsrichtung, wobei eine innere Uhr und ein im Gehirn gespeicherter Himmelsatlas bei der Auswertung maûgeblich beteiligt sind.

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23 Zur Funktion des Gehirns: die Sehwelt

23.1 Vom Auge zur gesehenen Welt 23.1.1 Das Gehirn des Menschen gilt als das komplexeste System des ganzen Universums, von dessen Existenz wir wissen Der Funktion des Gehirns nachzugehen, ist wohl die græûte Herausforderung, der sich die Naturwissenschaft heute und in Zukunft stellt. Das Gehirn des Menschen soll nach einer vielzitierten Schåtzung 100 Milliarden Nervenzellen enthalten, wobei die einzelne Nervenzelle mit vielleicht 100 bis 10 000 anderen Neuronen synaptischen Kontakt hat. Die Leitungsbahnen summieren sich, so wird geschåtzt, auf 750 000 km, der doppelten Entfernung zum Mond. Die Nervenzellen werden begleitet von einigen Milliarden Gliazellen, welche die Funktionen der Neurone unterstçtzen und modifizieren. Es ist schlechterdings unmæglich, die Funktionen des Gehirns bis in alle Details aufzuschlçsseln. Das wåre vielleicht auch gar nicht sonderlich interessant. Interessanter sind die çbergeordneten Strategien der Datenauswertung und die Systemeigenschaften der multizellulåren Netzwerke. Wir beschrånken uns auf wenige Hinweise im Bereich des Sehens. 23.1.2 Unser Gehirn erzeugt aus zwei Netzhautbildern eine einheitliche Sehwelt Tiere haben in aller Regel paarige Augen. Allerdings çberlappen sich die Sehwelten des linken und rechten Auges bei den meisten Tieren nur gering (Abb. 23.1). Immerhin erleichtert es dieser

Abb. 23.1. Gesichtsfeld bei Mensch und Vogel, Sehbahn

Sektor binokularen Sehens den Tieren, beide Gesichtsfelder passend aneinander zu fçgen. Wenn hingegen beide Augen geradewegs nach vorne gerichtet sind, ist die Zone des binokularen Sehens weit und beide Gesichtsfelder sind weitgehend deckungsgleich. Primaten (und Eulen) haben zwei annåhernd deckungsgleiche Netzhautbilder zur Auswertung zur Verfçgung. Alles, was in die Fovea (und ihr nåheres Umfeld) des einen Auges fållt, ist entsprechend auch in der Fovea des anderen Auges pråsent. In unserer subjektiven Sehwelt verschmelzen beide Netzhautbilder zu einem einzigen Bild. Wir sehen, als wåren wir Zyklopen.

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23 Zur Funktion des Gehirns: die Sehwelt

Zur Konstruktion einer einheitlichen Sehwelt und zum optimalen Herausfiltern der in den Bildern enthaltenen Information ist es gewiss von Vorteil, wenn man beide Bilder exakt vergleichen und gemeinsam auswerten kann. Die Verwertung beider Bilder schafft Sicherheit. Geringfçgige Unterschiede kænnen erkannt und zur Rekonstruktion der dritten Dimension genutzt werden (s. Kap. 23.2.2). Folglich sollten die Informationen, die beide Augen liefern, in zentralen Instanzen zusammenlaufen. In der Evolution der Wirbeltiere hat die Auswertung der optischen Information immer mehr Leistung verlangt. Das ursprçngliche Sehzentrum der Fische und Amphibien war das Dach des Mittelhirns (Tectum opticum). Mit der Entfaltung des Groûhirns in der Evolution der Såuger çbernahm die Hirnrinde die Hauptaufgabe in der Auswertung der optischen Information. Das Tectum behielt die Aufgabe, die Aufmerksamkeit auf plætzlich erscheinende Objekte zu lenken. Die Detailanalyse des Bildinhaltes çbernahm der Neocortex. Die Hirnrinde im Hinterhaupt (Occipitalregion) wurde zum primåren Sehzentrum V1 (Abb. 23.2). Einem primåren Zentrum sollte nach sprachlicher Logik ein sekundåres Zentrum (und weitere Zentren) folgen. Solche haben sich auch in der Evolution der Primaten etabliert. 23.1.3 Die Sehbahnen fçhren zusammen, was linkes und rechtes Auge getrennt erfassen Wenn ein Gegenstand am Rande des linken Gesichtsfeldes auftaucht, wird er in der rechten Augenhålfte abgebildet und dies in beiden Augen. Es wird also zweckmåûig sein, die Bahnen, die von beiden rechten Augenhålften kommen, zusammenzufçhren. Bei Såugetieren hat die Evolution eine entsprechende anatomische Læsung gefunden. Die aus den Augåpfeln herausfçhrenden Bahnen werden hålftig aufgeteilt und çberkreuzt. Die Bahnen, die von der rechten Augenhålfte des rechten Auges herausfçhren, verbleiben auf ihrer angestammten rechten Seite. Diesen geradeaus verlaufenden ipsilateralen Bahnen gesellen sich

Abb. 23.2. Sehbahn. Die Nervenzellen der Retina liefern ihre Information in den seitlichen Kniehæckern (Corpora geniculata laterale) ab. Jeder Kniehæcker empfångt Information von beiden Augen, wobei gleiche Retinabezirke des li und re Auges benachbarte Eingånge bedienen (retinotope Projektion). Im Kniehæcker wird (nach einigen Rechenoperationen) auf die primåre Sehrinde umgeschaltet. Die retinotrope Projektion bleibt erhalten. Abwechselnd erhålt das Sehzentrum Information vom linken und rechten Auge, derart, dass sich die råumliche Ordnung in der Retina im Sehzentrum wiederfinden låsst. Verarbeitet wird die Information in den Dominanzsåulen und weiteren Modulen des primåren Sehzentrums (s. Abb. 23.3 a)

kontralaterale Bahnen bei, die von der rechten Hålfte des linken Auges stammen und die Seite gewechselt haben. Entsprechendes gilt fçr die beiden aus den linken Augenhålften herausfçhrenden Kabelstrånge (Abb. 23.1 u. 23.2).

23.1 Vom Auge zur gesehenen Welt

Der aus dem Augapfel herausfçhrende Kabelstrang enthålt vor seiner Aufteilung ca. 1 Million Einzelfasern. Im Chiasma opticum, der Ûberkreuzungsstelle, wechseln jeweils die von der nasennahen Retinahålfte ausgehenden Bahnen die Seite. Sie treffen ihre kontralateralen Partner, welche die (weitgehend) gleiche Information vom zweiten Augapfel heranfçhren, im Thalamus, genauer in den seitlichen Kniehæckern (Einzahl: Corpus geniculatum laterale; Mehrzahl: Corpora geniculata laterale; engl.: Lateral geniculate nucleus LGN) des Thalamus. In den Kniehæckern kommt es aber noch nicht zur Fusion der Informationen. Die Kniehæcker sind Schaltstationen, in denen synaptisch auf weiterfçhrende Neurone umgeschaltet wird. Dabei werden die Daten in zwei parallele Hauptkanåle verteilt: Daten, die etwas mit dem Ort und der Bewegung von visuellen Reizen zu tun haben, werden çber dorsale Routen weiter Richtung Stirnrinde geschickt. Daten, die mit Eigenschaften (Form, Farbe) der gesehenen Objekte zu tun haben, werden çber kleinzellige Neurone weiter geschickt (in Abb. 23.2 ist kein Unterschied gemacht, da ohnedies nur sechs Bahnen von 1 Million dargestellt sind). In die primåren Sehrinde (Cortex striatum, striårer Cortex, V1-Region) am Hinterrand des Groûhirns laufen dann abwechselnd Bahnen vom linken und vom rechten Auge ein. Dabei wird çbersichtliche Ordnung gehalten: Informationen, die von einander benachbarten Bildelementen herkommen, werden in Auswertstationen eingespeist, die ihrerseits einander benachbart sind. Man spricht von retinotoper Abbildung oder retinotektaler Projektion. Wie kann man çberhaupt solche Verschaltungsplåne aus dem unbeschreiblichen Chaos herauslesen? Es gibt verblçffende Untersuchungsmæglichkeiten. Box K 23.1 listet einige technische Mæglichkeiten auf.

23.1.4 In der Schaltstation der Kniehæcker spiegeln sich die rezeptiven Felder der Retina wider Im vorigen Kapitel 22 erfuhren wird, dass bereits in der Retina des Auges Millionen von Nervenzellen mit der ersten Verarbeitung der Bildinformation befasst sind. Ganglienzellen, deren Axone, im Nervus opticus gebçndelt, aus dem Auge herausfçhren, haben Meldungen einer ganzen Gruppe benachbarter Photorezeptoren gesammelt und ausgewertet. Diese Gruppe von Photorezeptoren bildet das rezeptive Feld dieser Sammel-Ganglienzelle. Solche rezeptiven Felder sind in der Regel als ¹center-surroundª-Felder organisiert: Belichtung des peripheren Feldes hat, dank lateraler Inhibition, gegenteilige Effekte gegençber Belichtung des Zentrums. Solche Felder werden in zwei Hauptklassen zusammengefasst: 1) Konzentrische Breitbandzellen (concentric broad band cells) zum Erfassen von Hell-Dunkel-Kontrasten. Reagiert ein ¹On centerª-Neuron mit erhæhtem Feuern von Spikepotentialen, wenn das Zentrum seines rezeptiven Feldes belichtet wird, senkt es seine Aktivitåt, wenn das unmittelbare Umfeld des Zentrums belichtet wird. ¹Off centerª-Neurone verhalten sich reziprok. 2) Einfache und konzentrische Gegenfarbenzellen (single and concentric opponent cells). Auch findet man in den Kniehæckern farbcodierende Neurone wieder, deren rezeptives Feld das Gegenfarbensystem widerspiegelt. Einfache Zellen: Reagiert ein Neuron positiv, wenn das Feld mit Blau belichtet wird, reagiert es negativ, wenn es mit Gelb (oder Grçn + Rot) belichtet wird. (Bei den auch vom Umfeld beeinflussten konzentrischen Gegenfarbenneuronen sind die Verhåltnisse so komplex, dass auf Abb. 22.13 oder weiterfçhrende Literatur (z. B. Kandel et al. 1996) verwiesen werden muss.) Dies alles wird hier wiederholt, weil sich diese Prozesse im Kniehæcker wiederholen. Greift man die Aktivitåten der postsynaptischen, die In-

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BOX K 23.1

Untersuchungsmethoden der klassischen und neueren Neurobiologie a) Es war einmal: Wandernde Radioaktivitåt und der Verlauf der Sehbahn Beispiel 1: Eine radioaktive Form der Aminosåure Prolin wird in die Augenkammer injiziert. Im lichtstimulierten, metabolisch tåtigen Auge nehmen die Neurone der Retina die Aminosåure auf. Alsdann wandert Radioaktivitåt, wohl gebunden in Polypeptiden und verpackt in Transportvesikeln, den Axonen entlang bis zu den Synapsen im Corpus geniculatum laterale und, erstaunlicherweise, sogar çber Synapsen hinweg weiter bis in die V1-Region. Beispiel 2: Radioaktiv markierte 2-Desoxyglucose wird in die Blutbahn injiziert. Sie gelangt schnell auch in die Blutkapillaren des Gehirns. Die hungrigen Neurone entnehmen das Glucosederivat dem Blut, je aktiver sie sind, desto mehr und desto schneller. Aktive Neurone fçllen sich rasch mit Radioaktivitåt. Wenn nur ein Auge belichtet wird, strahlen nach kurzer Zeit vor allem die diesem Auge zugeordneten Dominanzbånder; also strahlt jedes zweite Band (Versuche der Arbeitsgruppe Hubel und Wiesel). Versuchstiere mussten in frçheren Jahren ihr Leben lassen, damit ein fotografischer Film çber die Sehrinde gezogen werden konnte. Man sieht dann auf dem Film nach seiner ¹Belichtungª durch die radioaktiven Strahlen und seiner fotografischen Entwicklung (Autoradiogramm) abwechselnd markierte und unmarkierte Bånder: die ¹Dominanzbånderª nach Hubel und Wiesel. Heutzutage kann ein Tier am Leben bleiben. Wåhlt man 15O markierte Glucose, die neben Elektronen auch Positronen ausstrahlt, kann man Bezirke, die solche strahlenden Neurone beherbergen, mit der Positronen-Emissions-Tomographie sichtbar machen (s. unten). Auch mittels des functional Nuclear Magnetic Imaging fMRI ist es jçngst gelungen, am unbeschådigten

Haupt lebender Personen Dominanzbånder sichtbar zu machen, und dies, ohne dass radioaktive Isotopen eingesetzt werden mçssten (Haynes u. Rees 2005). Bessere Auflæsung liefert indes ein anderes Verfahren, das freilich beim Menschen wegen mangelnder Transparenz des Schådels nicht anwendbar ist, das Optic Imaging: b) Optic Imaging: Aktive Neurone leuchten auf Erstaunlicherweise kann man die Auswertstationen der Sehrinde am lebenden Gehirn mit optischen Methoden sichtbar machen, wåhrend sie Information verarbeiten, also elektrisch aktiv sind. Methode: Neurone integrieren lipophile Fluoreszenzfarbstoffe in ihre Zellmembran. Man bietet ihnen Farbstoffe an, deren Emissionsspektrum abhångig von der elektrischen Spannung çber der Membran ist. Lebende Neurone flackern im Licht des Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskops auf, wåhrend sie elektrische Impulse erzeugen. Andere, Ca2+-sensitive, in die Zellen eingebrachte Farbstoffe (z. B. bestimmte Varianten des berçhmten Green-fluorescent Protein GFP) leuchten auf, wenn an den Pråsynapsen Ca2+-Ionen einstræmen und die Exocytose der Transmittervesikel auslæsen (Baker et al. 2005; Friedrich u. Laurent 2004; Liy et al. 2005). Allerdings ist die Technik nur anwendbar, wenn das Schådeldach transparent ist wie beim Zebrafisch Danio, oder wenn beim Makaken ein Sichtloch in der Schådeldecke geæffnet wird und die zu beobachtenden Neurone nahe der Oberflåche liegen (oder wenn man Hirnscheiben mit çberlebenden Nervenzellen unter dem Mikroskop liegen hat). Experiment: Beim Makaken wird durch das Sichtfenster mit einer Digitalkamera eine Serie von Bildern der V1-Region aufgenommen, wåhrend das linke Auge durch Lichtreize stimuliert wird, das rechte aber abgedeckt ist. Dann wird umgekehrt das rechte Auge belichtet. Die Bild-

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serien fçr das li und re Auge werden jede fçr sich gemittelt. Die gemittelten Bilder werden alsdann voneinander subtrahiert. Was auf beiden Bildserien aufleuchtet, also nicht spezifisch vom li oder re Auge herrçhrt, wird so herausgekçrzt. Ûbrig bleiben auf dem Bildschirm des Computers die Dominanzsåulen des li oder des re Auges. (Bei entsprechend konzipierten Experimenten kænnen auch die Orientierungssåulen kartiert werden.) Auch beim gesunden Menschen, bei dem sich solch invasive Methoden verbieten, sind mit den nachfolgend beschriebenen Verfahren ¹Einsichtenª in das Gehirn mæglich, wenn auch mit geringerer Auflæsung. NIRS (Nahinfrarot-Spektroskopie): In der Entwicklung befinden sich optische Verfahren, in denen von tåtigen Gehirnbezirken ausgehende Infrarotstrahlen aufgefangen und geortet werden. Das NIRS-Verfahren erlaubt optical imaging (bildgebendes Messverfahren) durch die intakte Schådeldecke hindurch und ist daher auch beim Menschen anwendbar, ebenso wie die nachfolgend beschriebenen Verfahren des EEG, MEG, PET und fMRI. c) Neuere physikalische Untersuchungsmethoden der Neurologie und kognitiven Psychologie Gegenwårtig ist optisches Imaging zum Sichtbarmachen neuronaler Aktivitåt nur bei oberflåchennahen Cortexschichten mæglich. Tiefer kann der Elektrophysiologe mit seinen haarfeinen Mikroelektroden eindringen. Die elektrophysiologische Ableitung von einzelnen der Abermilliarden Neuronen und ihrer Fåserchen kommt aber auch rasch an Grenzen, wenn man der Sehbahn entlang in die Tiefe des Gehirns vordringt. Wie sollte man gleichzeitig von unzåhligen Fåserchen ableiten und auch noch alles schæn intakt lassen? Ein Rhesusaffe sieht nicht eben glçcklich aus, wenn man ihm gleichzeitig zehn Elektroden ins Gehirn einpflanzt. Und was sind schon 10 Elektroden? Man sucht nach

nicht-invasiven Methoden, die man auch bei (freiwillig mitarbeitenden) Menschen anwenden kann, und nimmt die geringe råumliche Auflæsung solcher Methoden in Kauf. Im Gebrauch sind I. EEG und MEG Das Elektroencephalogramm EEG. Wie beim Elektrokardiogramm, dem EKG, greift man Potentiale von der (angefeuchteten) Haut ab (Hirnstromkurven). Man registriert Summenpotentiale, die sich aus der Superposition unzåhliger Einzelpotentiale ergeben und deren Herkunft nur in groben Umrissen bekannt ist. Gewiss ist, dass die Aktivitåt eines einzelnen Neurons nicht erfasst werden kann, sondern nur synchrone Potentialånderungen in groûen Populationen von Nervenzellen. Bis zu 128 Elektroden greifen die Potentiale von der Kopfhaut ab und çberspielen sie dem Computer. In einem typischen Experiment der kognitiven Neuropsychologie werden beispielsweise auf einem Bildschirm Figuren gezeigt. Die Versuchsperson merkt sich die Eigenschaften (Form, Farbe etc.) oder den Ort der Figuren. In einem spåteren Versuchsdurchlauf drçckt die Versuchsperson rasch auf einen Knopf, wenn ein bekanntes Objekt wieder erscheint ± an der richtigen Stelle oder mit den richtigen Eigenschaften. In Bruchteilen von Sekunden, nachdem man ein Objekt zum Sehen angeboten hat, sind Verånderungen im EEG erkennbar. Auch in der Phase der Erinnerung filtert der gut programmierte Computer irgendwelche Verånderungen heraus. Man nennt solche Potentiale Ereignis-korrelierte Potentiale EKP oder EventRelated Potentials ERP. Bei erfolgreicher Erinnerung treten im Detail solcher ERP bestimmte Verånderungen auf (Mecklinger u. Mçller 1996). CT, NMR, und Magnetoencephalogramm MEG. Konventionelle Ræntgenaufnahmen sind fçr den Neurologen nahezu nutzlos, denn die Schådeldecke schirmt viel Strahlung ab, und was "

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BOX K 23.1 (Fortsetzung)

noch durchdringt, trifft auf kontrastarmes Gewebe. Rotieren jedoch Ræntgenquelle und Detektor um den Kopf und werden viele Scan-Aufnahmen aus allen Winkelgraden per Computer ausgewertet, so ist man in einem Raum der Klinik, an dessen Tçr das Schild angebracht ist ¹CTª, das Kçrzel fçr Computertomographie. Tomographie heiût Schnittdarstellung. CT-Aufnahmen sind morphologische Aufnahmen; Schnitt fçr Schnitt wird das Gehirn durchgescannt. Der Neurologe setzt CT ein, wenn er beispielsweise nach einem Gehirntumor fahndet. Bessere Auflæsung und am Ende dreidimensionale Bilder liefert die Kernspin- oder NMRTomographie; doch dazu mehr unten unter fMRI. MEG: Wo elektrische Stræme flieûen, entstehen auch magnetische Felder und seien sie auch extrem schwach. Im lebenden Gehirn treten Felder mit Flussdichten auf, die weniger als der zehnmillionste Teil des Erdmagnetfeldes betragen. Heliumgekçhlte Groûgeråte mit supraleitenden Komponenten (SQUIDs = superconducting quantum interference devices) machen Magnetfeldschwankungen in diesen Græûenordnungen messbar. Die Sensoren liegen wie bei der EEG auf der Kopfhaut. Die råumliche Auflæsung der MEG ist besser als die der EEG. Mittels MEG, die mit der fMRI (unten) kombiniert werden kann, låsst sich herausfinden, welches sensorische Gehirnareal beispielsweise fçr die Hand zuståndig ist (Somatotopie). Das sehr aufwåndige Verfahren wird jedoch gegenwårtig nur an wenigen Institutionen zu Forschungszwecken eingesetzt. Eine Variante ist Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI), die fçr die nicht-invasive Darstellung von Faserzçgen geeignet ist. II. Metabolische Verfahren: PET und fMRI Diese Verfahren machen nicht elektrische Aktivitåten, sondern Stoffwechselaktivitåten des Ge-

hirns auf dem Bildschirm des Computers sichtbar. Die Verfahren sind ausgereift, haben aber keine sehr hohe Auflæsung und sind relativ tråge, erlauben aber, das ganze Gehirn nach Zentren momentaner Aktivitåt abzusuchen. Die Positronen-Emissions-Tomographie PET ist ein bildgebendes Verfahren, das heute nur noch in Einzelfållen eingesetzt wird. Es ist halbinvasiv und misst lokale Unterschiede in der Hirndurchblutung und der metabolischen Aktivitåt, nachdem Isotopen-markiertes Wasser (zum Messen der Durchblutung) oder markierte Glucose (zum Messen der metabolischen Aktivitåt) ins Blut injiziert worden sind. Gewåhlt wird z. B. Glucose, die mit 15O2 markiert ist und Positronen als Signal aussendet. Die lokale metabolische Aktivitåt wird gemessen vor und wåhrend die Versuchsperson bestimmte Aufgaben læst (z. B. liest). Tåtige Hirnareale werden verstårkt mit Blut versorgt und nehmen verstårkt Glucose auf. Man schaut in Echtzeit zu, wo im Gehirn çber långere Zeit (Sekunden, Minuten) ausgedehnte Stoffwechselaktivitåt herrscht. Gegençber den nachfolgend beschriebenen Verfahren bleibt ein Vorteil des PET: Man kann auch substanzspezifischen Metabolismus lokalisieren, beispielsweise bei Parkinson-Patienten den Krankheitsherd mittels radioaktivem Dopamin hervorheben. Die funktionelle magnetische Kernspinresonanz-Tomographie (functional Nuclear Magnetic Resonance Tomography fMRT), auch functional Magnetic Resonance Imaging fMRI und im Alltag meistens einfach Kernspintomographie genannt, misst die Hirndurchblutung, ohne dass ein Isotop in die Blutbahn eingefçhrt werden mçsste. fMRI misst Kernspin-Resonanzfrequenzen von Sauerstoffatomen in wechselnden Magnetfeldern.

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23.1 Vom Auge zur gesehenen Welt

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BOX K 23.1 (Fortsetzung) Der Spin der Protonen in den Atomkernen erzeugt ein winziges magnetisches Feld. Wenn keine åuûere Kraft Einfluss nimmt, weisen in unserem Kærper die Spinachsen der Protonen in den Atomkernen ungeordnet in alle Raumrichtungen. Kernspintomographen erzeugen hohe magnetische Felder bis zu 10 Tesla, ca. 200 000 ´ stårker als das Magnetfeld der Erde. Wird der Kærper einer Person in der Ræhre des Apparates solchen Feldstårken ausgesetzt, werden die Spinachsen der Atomkerne parallel ausgerichtet (alignment). Der Kærper wird gewissermaûen zum Stabmagneten. Nun werden Radiowellen ausgesuchter Frequenz in wechselnden Winkeln und Intensitåtsgradienten transversal zum Magnetfeld durch den Kærper geschickt. Sie versetzen manche Atome in Resonanzschwingungen. Durch die Wahl der Stårke des ersten (statischen) Feldes und die Wahl von Frequenz und Winkel des Transversalfeldes kann sehr genau bestimmt werden, welche Kerne in Resonanz geraten sollen ± hier zielt man auf Sauerstoff. Beide Felder werden vielfach in jeder Sekunde in vorgegebener Reihenfolge ein- und ausgeschaltet. Die in resonante Schwingungen versetzten Sauerstoffatome senden ihrerseits synchron hochfrequente Magnetfelder (minimaler Intensitåt) aus. Diese erzeugen in den Spulen der rings um die Ræhre angebrachten Detektoren elektrische Wechselspannungen, die als Signale vom Computer zur Konstruktion eines Bildes ausgewertet werden.

Von besonderer Bedeutung ist, dass Håmoglobin nach Abgabe seines Sauerstoffs (deoxyHB) paramagnetisch wird. Wo also Sauerstoff dem Blut entzogen worden ist, sind die magnetischen Felder abgeschwåcht. Venæs gewordenes Blut unterscheidet sich von unverbrauchtem arteriellem Blut. Man spricht von BOLD-Kontrast (Blood Oxygenation Level Dependent Contrast). Die Quellen der Felder und die Lçcken in den Feldern werden mit kreisfærmig um den Kopf angeordneten Detektoren geortet. fMRT ermæglicht die råumliche Lokalisation der aktivierten Gehirnareale mit einer Auflæsung im Millimeterbereich. Schichtweise das ganze Gehirn aufzunehmen (1 Hirnscan) dauert 1 bis 4 Sekunden. Die Gesamtmessung kann jedoch bis zu 2 Stunden dauern, weil man (wie beim EEG) çber viele experimentelle Durchgånge und Hirnscans mittelt. Soll der Proband in der Ræhre eine visuelle Aufgabe læsen, wird

der Monitor mit den Reizmustern çber einen Spiegel fçr den Probanden sichtbar gemacht. d) Mæglichkeiten der Stimulation: verblçffend (und erschreckend) Elektrische Stimulation bestimmter Gehirnbezirke mit haarfeinen Elektroden ist beim Menschen auf Einzelfålle beschrånkt, wenn der Neurochirurg mit Zustimmung des Patienten wåhrend einer erforderlichen Gehirnoperation ohne Narkose diese oder jene Gehirnpartie mit elektrischen Impulsen stimulieren darf. Der Patient sieht dann beispielsweise Halluzinationen oder es tauchen Erinnerungsbilder in seinem Bewusstsein auf. Elektrische Stimulation wird in der Klinik eingesetzt, um Gehirnareale exakt zu markieren, die bei der operativen Entfernung eines Tumors oder eines Epilepsie-Herdes mæglichst nicht geschådigt werden dçrfen. So wird man, wenn irgend mæglich, das Sprachzentrum schonen. Auch werden Elektroden zur Therapie von schweren Parkinsonerkrankungen oder Zwangsstærungen inzwischen auch dauerhaft implantiert. Eine neue, nicht-invasive Methode der Stimulation ist die Transcraniale (transkranielle) magnetische Stimulation TMS. Eine 8-færmige Spule erzeugt pulsierende magnetische Felder, die in den Schådel eindringen und in den åuûeren Schichten des Cortex Neuronen aktivieren. Das stimulierte Feld kann 1 cm2 klein sein. Mit råumlich gezielt eingespielten repetitiven Pulsen werden lokale Funktionen gestært, also artifizielle, vorçbergehende Låsionen gesetzt. TMS wird routinemåûig bei der Diagnose einer Querschnittslåhmung eingesetzt. TMS soll zukçnftig die berçhmt-berçchtigte Elektrokrampftherapie bei schweren Depressionen ersetzen. TMS soll bei sachgemåûer Anwendung keine bleibenden Schåden verursachen. Doch kænnen nicht nur Funktionen unterbrochen, sondern auch Reaktionen ausgelæst werden wie das unwillentliche Heben einer Hand. Geschickten

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23 Zur Funktion des Gehirns: die Sehwelt

BOX K 23.1 (Fortsetzung)

und erfahrenen Neurologen gelingt es auch, psychische Erlebnisse hervorzurufen. Neuerdings werden mehrere Stimulatoren in einen Helm eingebaut, den sich der freiwillige Proband çberzieht. Viel in den Medien berichtet und diskutiert: Stimulation eines bestimmten Areals im linken Schlåfenlappen læse Erlebnisse aus, die in unserer Kultur der Welt der Spiritualitåt zugeordnet werden, aber auch in Fieberzustånden,

unter Hypnose oder unter dem Einfluss von Drogen auftreten kænnen: Trance, mystische Verzçckung, das Einswerden mit der ganzen Welt, Schweben çber dem eigenen Kærper (outof body experience), Lichterscheinungen und andere, auch als Nahtoderfahrungen bekannt gewordene Erlebnisse (Hill u. Persinger 2003; Baker et al. 2005; Bild der Wissenschaft 7/2005).

formation zur Sehrinde weiterleitenden Neurone ab, wåhrend die Netzhaut Punkt fçr Punkt mit kleinen kreisfærmigen Lichtflecken gescannt wird, findet man die rezeptiven Felder der Retina wieder (wenn auch vom Kreis zum Oval verformt). In den seitlichen Kniehæckern ist noch eine recht genaue retinotope Kartierung (retinotopical mapping) mæglich.

die entlang einer Strecke kontråre Eigenschaften (Hell-Dunkel, Rot-Grçn, Blau-Gelb) voneinander scheiden. Den Elektrophysiologen gelang es, drei Hauptgruppen von Neuronen ausfindig zu machen; sie werden als Merkmalsdetektoren (features detectors) angesprochen:

23.1.5 In der primåren Sehrinde findet man Nervenzellen, die auf bestimmte, erst durch Datenverarbeitung ermittelte Merkmale des Sehbildes reagieren Je mehr es Forscher wagen, mit ihren Ableitelektroden in den Sehzentren von Makaken, Katzen und anderen Tieren die elektrischen Signale von Neuronen abzuhorchen (es sind keine Untersuchungen, die dem Tierliebhaber und Tierschçtzer gefallen, auch wenn das Gehirn als schmerzlos bezeichnet wird), desto mehr werden Neurone gefunden, die nur dann feuern, wenn im Bild auf der Netzhaut bestimmte Merkmale auftauchen. Die Auswertneurone sind bei Primaten in sechs oberflåchenparallele (,horizontale`) Schichten gegliedert; diese sind ihrerseits in viele vertikale Såulen (Kolumnen) unterteilt (Abb. 23.3 a, b). Die horizontale Schichtung hat die Anatomen bewogen, dem Sehcortex die Bezeichnung ¹cortex striatum`` (lat.: gestreifte Rinde) zu verleihen. Die Auswertmechanismen arbeiten vor allem Kontraste und Konturen heraus, also Kontraste,

1. Orientierungsneurone der Schichten I±III und V±VI, vertikal gruppiert in Orientierungssåulen. Orientierungsspezifische Neurone feuern, wenn eine Hell-Dunkel-Kontur çber einem Netzhautareal eine bestimmte Orientierung hat. Fçr jede Orientierung gibt es Spezialisten. Die Vorzugsrichtungen åndern sich von Såule zu Såule jeweils um 108 (Abb. 23.3 a). Ûber 18 Kolumnen hinweg drehen sich die Orientierungspfeile um 1808. 2. On- und Off-Neurone. In der Zwischenschicht IVc findet man Neurone, die åhnlich wie die ¹Licht anª- und ¹Licht ausª-Bipolaren der Netzhaut mitteilen: ¹An dem Punkt der Retina, von dem wir Meldungen erhalten, wurde es soeben hellª, oder ¹dunkelª. Oder es melden sich Neurone, die das allgemeine Helligkeitsniveau gemittelt haben und anderen Neuronen bzw. Neuronenverbånden mitteilen. (Ober- und unterhalb der Schicht IVc gibt es Ûbergånge zu den richtungsempfindlichen Neuronen der Orientierungsneurone.) 3. Farb- und Schwarz-Weiû-Neurone. Sie werden bei den farbtçchtigen Makaken gefunden. Farbneurone haben errechnet, in welchen Ver-

23.1 Vom Auge zur gesehenen Welt

Abb. 23.3 a. Organisation des primåren Sehzentrums V1 in Verarbeitungsmodulen. Auf der Oberflåche der Sehrinde lassen sich 0,5 mm breite Dominanzsåulen bzw. Dominanzbånder ausmachen, die abwechselnd dem linken und rechten Auge zugeordnet sind. Ûberlappungsbereiche erhalten Information von beiden Augen. Senkrecht zu den Dominanzsåulen sind die Orientierungssåulen angeordnet. Sie enthalten Neurone, welche aus dem Gesamtbild Linien und Konturen herausfiltern. Die Neurone einer Kolumne sind auf eine bestimmte Orientierung spezialisiert; von Kolumne zu Kolumne åndert sich die

Orientierung um einen bestimmten Winkelgrad (108). Zwischen den Såulenreihen eingebettet sind ¹blobsª, das sind Gruppen von Zellen, die sich im mikroskopischen Pråparat dank ihres hohen Gehalts an Cytochromoxidase fårberisch darstellen lassen. Sie enthalten Neurone, die nach dem Gegenfarbenprinzip auf Farbe reagieren oder auf Hell-Dunkelkontraste. Die Abbildung ist stark schematisiert und enthålt nur eine Auswahl der informationsverarbeitenden Zellgruppen. Die nur aus Fasern bestehende Schicht 1 des Cortex ist weggelassen, um den Blick auf die Blobs freizulegen

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rausgefiltert haben. Farb- und S/W-Neurone finden sich in Gruppen von Zellen (¹blobs``), die sich in mikroskopischen Pråparaten aufgrund ihres hohen Gehalts an Cytochromoxidase fårberisch hervorheben lassen und zwischen die Orientierungssåulen eingeschoben sind (Abb. 23.3 a). Ein Paar benachbarter Dominanzsåulen (linkes + rechtes Auge) mit ihren Orientierungssåulen und blobs bezeichnet man als Hyperkolumne. Eine Hyperkolumne verarbeitet alle Informationen çber einen bestimmten Punkt in unserem Sehfeld. Die Merkmalsanalyse findet ihre Fortsetzung in den nachgeschalteten sekundåren Sehzentren V2±V5. Erwåhnt seien nur zwei Beispiele:

Abb. 23.3 b. Zur Entstehung der Dominanz- und Orientierungssåulen in der Embryonalentwicklung und postembryonalen Wachstumsphase des Gehirns. Stammzellen des an die Gehirnventrikel angrenzenden Neuroepithels geben Neuroblasten ab, die entlang von Gliafasern Richtung Gehirnoberflåche wandern. Sie gruppieren sich dabei in mehrere Lagen (Schichten). Hier ist nur die erste Lage (spåtere Schicht 6) eingezeichnet. Wird nach der Geburt ein Auge verschlossen (Versuche an Katzen), bleiben die diesem Auge zugeordneten Såulen unterentwickelt (Abb. aus Mçller u. Hassel, Entwicklungsbiologie, 4. Aufl. 2006, Abb. 17.14 (hier leicht modifiziert))

håltnissen kurze, mittellange und lange Wellenlången im Farbenspektrum eines kleinen Bildbereichs (in einem rezeptiven Feld der Retina) vertreten sind. Farbneurone reagieren wiederum nach dem Gegenfarbenprinzip. Ein Neuron, das bei Blaulicht heftig feuert, wird bei Gelb (oder bei einer Mischung von monochromatischem Grçn + Rot) schweigsam; ein anderes Neuron, das bei gelbem Prçflicht feuert, ist bei blauem Licht still. Den Gelb-Blau-Analysatoren stehen Rot-Grçn-Analysatoren zur Seite. Daneben gibt es S/W-Neurone, die Schwarz-Weiû-Kontraste im gesehenen Bild he-

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Bewegungsdetektoren. Sie reagieren åhnlich den Neuronen der V1 auf Farb- oder Hell-Dunkel-Kontraste, doch nur, wenn sich solche Kontraste in bestimmter Richtung çber die Augennetzhaut bewegen.

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Ecken. Es gibt Neurone, die nur feuern, wenn sich im Gesichtsfeld eine eckige Kontur bewegt. 23.1.6 Das ¹Wasª und das ¹Woª eines Objekts werden parallel in verschiedenen Kanålen analysiert

Die primåre Sehrinde V1 und die nachgeschalteten Zentren V2±5 im Hinterhaupt sind bei Primaten nicht die Endstation der visuellen Datenverarbeitung. Es ziehen Bahnen weiter (1.) in den hinteren Scheitellappen und (2.) in den unteren Schlåfenlappen (Abb. 23.4 a, b). Diese haben selbstredend unterschiedliche Aufgaben, aber welche? Wenn Versuchspersonen die Aufgabe erhalten, sich entweder die Eigenschaften einer Figur (Form, Farbe) zu merken oder deren Position im Raum, so kann man aus Differenzen im Elektroenzephalogramm (EEG) (oder im Bild des Kernspintomographen) herauslesen, dass das ¹Wasª und das ¹Woª in verschiedenen Orten des Gehirns verarbeitet wird. Wird die Position abgefragt, er-

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Abb. 23.4 a. Areale der Groûhirnrinde (Cortex)

scheinen andere wellenfærmige Potentiale als wenn z. B. nach der Farbe gefragt wird. Die Herkunft der Potentiale låsst sich mit ausgeklçgelten Computerprogrammen bestimmten anatomischen Strukturen zuordnen ± den sekundåren (und tertiåren) Zentren visueller Datenverarbeitung (z. B. Mecklinger u. Mçller 1996). Auch Untersuchungen an Makaken und an Menschen mit lokalen Hirnlåsionen trugen zu dieser Erkenntnis bei. Im hinteren Scheitellappen (posteriorer Parietallobus) werden Position und Bewegung eines Objektes analysiert. Der Elektrophysiologe findet hier bei Rhesusaffen und anderen Makaken besonders viele Neurone, die richtungsspezifisch auf bewegte visuelle Reize ansprechen. Diese Hirnregion hat auch Verbindung zu jenen motorischen Zentren, deren Aktivitåt mit Aufmerksamkeit assoziiert ist und welche die Augenbewegungen steuern. Im unteren Schlåfenlappen (inferiorer Temporallobus) werden die Eigenschaften eines Objektes

analysiert: seine Form, seine Græûe, seine Farbe. Hier hat der Elektrophysiologe Neurone mit erstaunlichen Eigenschaften entdeckt: Neurone, die dann feuern, wenn komplexe Muster wie z. B. eine Hand oder ein Gesicht im Sehfeld des Auges auftauchen. Ein Neuron, das feuert, wenn die Groûmutter im Bilde erscheint, nicht aber, wenn Tante Emma erscheint, ist freilich noch nicht entdeckt worden. Vielmehr denkt man, dass Objektkategorien (¹Handª oder ¹Gesichtª) von Neuronenverbånden verarbeitet werden, die in der Lernphase zu diesem Verband zusammengeschaltet worden sind. Dabei kann ein einzelnes Neuron Mitglied in mehreren Verbånden (¹neuronalen Netzenª) werden. Gedåchtnisausfålle bei Menschen und Tieren mit Gehirnverletzungen beståtigen die Existenz parallel arbeitender Subsysteme. Bei Låsion des Schlåfenlappens erkennt ein Patient noch, dass sich an einer bestimmten Stelle des Raumes ein Objekt befindet und bewegt, kann es aber nicht

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23 Zur Funktion des Gehirns: die Sehwelt

Abb. 23.4 b, c. Visuelles Auswert- und Speichersystem. b Anatomische Lage der Auswertestationen, c die diesen Stationen zugeordneten Funktionen

mehr von anderen Objekten nach Form oder Farbe unterscheiden. Personen kænnen nicht mehr voneinander unterschieden werden. Die Strategie der parallelen Analyse von Eigenschaften und Ort der Objekte dçrfte es erleichtern, ein Objekt an seiner Form und Farbe wiederzuerkennen unabhångig davon, wo es sich gerade befindet.

Gesichtserkennung und Evolution. Die Vorstellung, dass es Neurone oder ± wahrscheinlicher ± Neuronenverbånde gåbe, die auf das Erscheinen eines bestimmten Gesichts reagieren, ist so abwegig nicht. Neurologen kennen verblçffende Formen der Agnosie, wie sie beispielsweise bei lokalen Durchblutungsstærungen im Schlåfenlappen anlåsslich eines Schlaganfalles diagnostiziert werden. Es kænnen Gesichter vertrauter Personen nicht mehr erkannt

23.2 Wahrnehmungspsychologie: von den Daten bis zum Bewusstsein

werden (Prosop-Agnosie). Nur Stimme, Bewegungsart und Kleidung helfen, die eigene Frau zu erkennen (Lesenswert: Oliver Sacks: Der Mann, der seine Frau mit einem Hut verwechselte, rororo sachbuch 1490, 2000). Im Extremfall ist es das eigene Gesicht im Spiegel, das nicht mehr erkannt wird. (¹At the club I saw someone strange staring at me, and I asked the steward who it was. You'll laugh at me. I'd been looking at myself in the mirrorª, zitiert nach Gazzaniga et al. 2002, S. 227). Dies berichtete ein Mann mit sonst exzellentem Gedåchtnis. Primaten, und so auch die Vorfahren des Homo sapiens, leben oder lebten in kleinen Gruppen mit ausgeprågtem Sozialverhalten. Es war wichtig, Gruppenmitglieder voneinander und von Fremden zu unterscheiden und die Mimik richtig zu deuten. Dementsprechend sind relativ groûe Teile des Schlåfenlappens bei der Beurteilung eines Gesichts involviert. fMRI-Aufnahmen der BOLD-Antwort (Box K23.1) heben bei solchen Aufgaben Bereiche des ventralen Schlåfenlappens der rechten Groûhirnhemisphåre als ¹fusiform face area FFAª hervor. Bei Makaken haben einzelne Neurone des Temporallappens ¹rezeptive Felderª, die groûe Bereiche der Netzhaut abdecken, also auf verarbeitete Information eines groûen Bildfeldes reagieren. Von einem einzigen Neuron in einem Heer von Milliarden zu erwarten, es handle sich um das Groûmutter-Erkennungsneuron, wåre freilich eine enorme (und groteske) Extrapolation. Gesichter sind komplexe Muster, mit deren Analyse Milliarden von Nervenzellen befasst sind.

23.2 Wahrnehmungspsychologie: von den Daten bis zum Bewusstsein 23.2.1 Die Psychologie hat das letzte Wort: Das Gehirn konstruiert die Sehwelt nach vorgegebenen, in der Evolution bewåhrten Prinzipien Wer mit einem Vektorgrafikprogramm seines PC ein ¹Objektª erstellt, zeichnet erst eine geschlossene Linie (z. B. Kreis, Quadrat), kann dann den umschlossene